JP6059079B2 - 接合方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１ワークと、該第１ワークを囲繞するように配置された第２ワークとを接合する接合方法及びその装置に関する。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟んだ電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を有する。この種の燃料電池において、ＭＥＡと、該ＭＥＡを囲繞する樹脂製枠体とを接合一体化して枠体付ＭＥＡを構成し、この枠体付ＭＥＡを含む単位セルを複数個積層してスタックを得る場合がある。

このような構成の枠体付ＭＥＡを得る手法として、特許文献１記載の技術が知られている。この技術は、額縁状の樹脂製枠体の内縁部近傍の部位を電解質膜の端部に重畳し、その後、この重畳部を加熱することで熱溶着部を形成するものである。

ここで、電解質膜は、燃料電池の電極反応によって生成した水を吸収・排出することに伴って膨潤・収縮を起こす。特許文献１に記載されるように樹脂製枠体と電解質膜を熱溶着した場合、電解質膜の溶着部が熱によって変質し、このために強度が低下して、前記の膨潤・収縮によって溶着部が損傷する懸念がある。

特許文献２には、樹脂製枠体の一部をレーザ光によって溶融し、これにより得られた溶融物を、アノード電極又はカソード電極のいずれかを構成するガス拡散層に浸透させた後、浸透した溶融物を冷却固化することが提案されている。この場合、樹脂製枠体に対して電解質膜を直接熱溶着する場合に比して、電解質膜への熱影響が抑制されると考えられる。

特開平５−２３４６０６号公報 特開２００８−１３５２９５号公報

レーザ光を照射するのみでは、溶融した樹脂が十分に流動することは困難である。このため、十分な量の樹脂をガス拡散層に浸透させることも困難である。

このような不具合を回避するべく、樹脂製枠体の内縁部を、額縁形状をなす押圧部で加熱しながら押圧することが想起される。この場合、例えば、押圧部内にヒータを埋設し、該ヒータで押圧部を加熱すれば、樹脂製枠体の内縁部を加熱することが可能である。

しかしながら、押圧部を加熱すると、該押圧部が熱膨張を起こす。すなわち、例えば、各辺の長手方向中腹部が膨出するように撓むことがある。このような事態が生じると、樹脂製枠体の内縁部全体にわたって均等に押圧・加熱することが容易ではなくなる。換言すれば、押圧ムラや加熱ムラが生じ易くなる。

そして、十分な押圧や加熱がなされなかった部位では、上記と同様に、溶融した樹脂が流動することは困難である。このため、十分な接合強度を得ることが容易ではない。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、第１ワークの外縁部を囲繞する第２ワークの内縁部を略均等に押圧・加熱して前記第１ワークの前記外縁部に流動させることが可能であり、このため、前記第１ワークの前記外縁部と前記第２ワークの前記内縁部との間に、十分な接合強度を示す接合箇所を形成することが可能な接合方法及びその装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、第１ワークの外縁部と、枠体からなる第２ワークの、前記第１ワークの前記外縁部を囲繞した内縁部とを接合するための接合装置であって、
前記第１ワークを押圧するための第１押圧部と、
前記第１押圧部を前記第１ワークに対して接近又は離間させる方向に変位させる第１変位機構と、
前記第２ワークの前記内縁部を押圧するための第２押圧部と、
前記第２押圧部を加熱することで前記第２ワークの前記内縁部を加熱する加熱手段と、
前記第２押圧部を前記第２ワークに対して接近又は離間させる方向に変位させる第２変位機構と、
を有し、
前記第２押圧部が、複数個に分割された分割片同士が連結されることで構成され、
前記加熱手段が、前記分割片毎に設けられていることを特徴とする。

第２押圧部を構成する分割片の各々は、１個の部材から構成された第２押圧部に比して小体積である。このため、加熱手段が付勢されて第２押圧部が熱を帯びたとき（第２押圧部の温度が上昇したとき）、個々の分割片の熱膨張量が小さいので、第２押圧部全体としての熱膨張量も小さい。

従って、例えば、長手方向中腹部が膨出するように撓むことが回避されるようになる。その結果、第２押圧部によって第２ワークの内縁部が全体にわたって略均等に押圧され、且つ熱を帯びた該第２押圧部によって略均等に加熱される。このため、第２ワークの内縁部を略均等に軟化（溶融を含む）させることや、その軟化物を第１ワークの外縁部に略均等に流動させることが容易となる。すなわち、本発明においては、押圧ムラや加熱ムラが生じ難い。

軟化物が第１ワークの外縁部に到達した後に冷却硬化することにより、第１ワークの外縁部と第２ワークの内縁部が接合される。この接合箇所は、優れた接合強度を示す。上記したように、第１ワークの外縁部に対して軟化物が略均等に付着しているからである。

このように、本発明によれば、第１ワークの外縁部と第２ワークの内縁部との間に、十分な接合強度を示す接合箇所を形成することが可能となる。

上記の構成に対し、さらに、第２ワークの外縁部を押圧する第３押圧部と、前記第３押圧部を第２ワークの外縁部に対して接近又は離間させる方向に変位させる第３変位機構とを設けるようにしてもよい。この場合、第２ワークが堅牢に位置決め固定されて位置ズレを起こし難くなるので、本来接合すべき所定の箇所を接合することが容易となる。

場合によっては、第２押圧部、該第２押圧部によって押圧される第２ワークの内縁部との間に、伝熱部材を介在させるようにしてもよい。この構成では、伝熱部材によって第２押圧部からの輻射熱を遮ることができる。従って、第１ワークや第２ワークの温度が過度に上昇することが抑制されるので、第１ワークや第２ワークに熱歪みが生じること等を回避することができる。

また、第１押圧部を冷却する冷却手段を設けることが好ましい。この場合、第１ワークや前記軟化物を速やかに冷却することができる。

なお、第２押圧部を変位させるには、例えば、第２押圧部を支持する支持盤を設け、この支持盤を、前記第１変位機構の作用下に変位させるようにすればよい。

以上において、第２ワークの内縁部近傍に、第２押圧部に指向する突部を突出形成することが好ましい。すなわち、第２押圧部は、該突部を押圧する。このようにすることにより、第２ワークの一部を第１ワーク側に向かって流動させることが容易となる。

第１ワークとしては多孔質体が用いられ、一方、第２ワークとしては樹脂製枠体が用いられる。この場合、樹脂製枠体の内縁部が軟化されて軟化樹脂となり、多孔質体の外縁部側に流動した後、該外縁部に浸透（含浸）される。これにより、多孔質体の外縁部と樹脂製枠体の内縁部とが接合された接合体が得られる。

また、本発明は、第１ワークの外縁部と、枠体からなる第２ワークの、前記第１ワークの前記外縁部を囲繞した内縁部とを接合する接合方法であって、
前記第１ワークを第１押圧部で押圧するとともに、前記第２ワークの前記内縁部を第２押圧部で押圧する工程と、
前記第２押圧部を加熱手段によって加熱することで、前記第２ワークの前記内縁部を加熱して軟化させ、前記第１ワークの前記外縁部に流動させる工程と、
前記第１ワークの前記外縁部に流動した軟化物を硬化させることで、前記第１ワークの前記外縁部と、前記第２ワークの前記内縁部とを接合する工程と、
を有し、
前記第２押圧部を、複数個に分割された分割片同士を連結した連結体として構成するとともに、前記加熱手段を前記分割片毎に設け、
前記第２ワークの前記内縁部を加熱する際、前記分割片の全てを前記加熱手段で加熱することを特徴とする。

このようにすることにより、上記したように、第２ワークの内縁部を全体にわたって略均等に加圧・加熱することが可能となる。その結果、第１ワークの外縁部と第２ワークの内縁部との接合箇所が優れた接合強度を示す接合体が得られる。

この接合方法では、第２ワークの外縁部を第３押圧部で押圧し、その後、該第２ワークの内縁部を加熱することが好ましい。第２ワークを堅牢に位置決め固定することができるので、第２ワークが位置ズレを起こすことが回避される。従って、接合すべき所定の箇所を接合することが容易となる。

また、第２ワークの内縁部近傍に、前記第２押圧部に指向する突部を突出形成し、前記突部を第２押圧部で押圧することが好ましい。この場合、第２ワークの一部を一層容易に流動させることができる。

上述の通り、第１ワークとしては多孔質体、第２ワークとしては樹脂製枠体が用いられる。この場合、樹脂製枠体の内縁部を軟化させて多孔質体の外縁部に浸透（含浸）させればよい。

本発明によれば、第２ワークを押圧する第２押圧部を、複数個の分割片を組み合わせることで構成するようにしている。この第２押圧部における分割片の各々は、１個の部材から構成された第２押圧部に比して小体積である。このため、熱膨張量も小さい。

従って、第２ワークの内縁部が、熱を帯びた該第２押圧部によって略均等に押圧・加熱される。換言すれば、押圧ムラや加熱ムラが生じ難くなる。このため、第２ワークの内縁部を略均等に軟化させることや、その軟化物を第１ワークの外縁部に略均等に流動させることが容易となる。その結果として、第１ワークの外縁部に対して軟化物が略均等に付着するようになるので、第１ワークの外縁部と第２ワークの内縁部との間に、十分な接合強度を示す接合箇所を形成することができる。

本発明の実施の形態に係る接合方法によって得られる接合品である枠体付電解質膜・電極接合体の全体概略縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る接合装置の要部縦断面図である。 図２の要部拡大図である。 図２の接合装置を構成する第２押圧部の概略斜視図である。 図２の接合装置に設けられた案内ピンが挿入された部位を拡大して示す平面図である。 図２の接合装置を構成する装置本体において、第２押圧部を突出させた状態を示す要部縦断面図である。 第１押圧部が電解質膜・電極接合体に着座するとともに、伝熱部材が樹脂製枠体の突部に着座した状態を示す要部縦断面図である。 図７に続き、第２押圧部が伝熱部材のＶ溝に進入してその底部に着座した状態を示す要部縦断面図である。 図８に続き、樹脂製枠体の突部が圧潰された状態を示す要部縦断面図である。 前記突部の圧潰が終了した後、第２押圧部を案内する案内ピンが元の位置に戻る状態を示す要部縦断面図である。 図９に続き、第２押圧部が伝熱部材から離間した状態を示す要部縦断面図である。 図１１に続き、伝熱部材が電解質膜・電極接合体から離間した状態を示す要部縦断面図である。

以下、本発明に係る接合方法につき、それを実施する接合装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態では、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を第１ワーク、樹脂製枠体を第２ワークとし、ＭＥＡを構成するガス拡散層の外縁部に、樹脂製枠体の内縁部の軟化樹脂（溶融樹脂を含む）を浸透させる場合を例示して説明する。

はじめに、図１に示す枠体付ＭＥＡ１０につき説明する。この枠体付ＭＥＡ１０は、ＭＥＡ１２と、該ＭＥＡ１２を保持する樹脂製枠体１４とを有する。

この場合、ＭＥＡ１２は、幅狭なカソード電極１６と、該カソード電極１６に比して幅広の電解質膜１８と、該電解質膜１８と略同一幅・面積のアノード電極２０とで構成される。従って、電解質膜１８の外縁部は、カソード電極１６から露呈する。

また、カソード電極１６は、第１ガス拡散層２２、第１電極触媒層２４を下方からこの順序で有し、一方、アノード電極２０は、第２電極触媒層２６、第２ガス拡散層２８を下方からこの順序で有する。第１ガス拡散層２２及び第２ガス拡散層２８は、カーボンペーパー等の多孔質体からなる。ガス拡散層２２、２８と電極触媒層２４、２６との間に、中間層を介装するようにしてもよい。

このように構成されるＭＥＡ１２を保持する樹脂製枠体１４には、図１における下端面から上端面に向かって、第１収容孔３０、第２収容孔３２が互いに連なるようにして貫通形成される。第１収容孔３０は第２収容孔３２に比して幅狭であり、このため、第２収容孔３２の底部は段部３４となっている。

第１収容孔３０にはカソード電極１６が収容され、一方、第２収容孔３２には電解質膜１８及びアノード電極２０が収容される。すなわち、樹脂製枠体１４において、第１収容孔３０及び第２収容孔３２の内壁近傍は、カソード電極１６及びアノード電極２０の各外縁部を囲繞する内縁部である。なお、電解質膜１８の下端面は、段部３４に当接して支持される。

第２収容孔３２の近傍（樹脂製枠体１４の内縁部）の樹脂は、アノード電極２０を構成する第２ガス拡散層２８に浸透している。この浸透により、樹脂製枠体１４がアノード電極２０（ＭＥＡ１２）に接合されている。すなわち、枠体付ＭＥＡ１０は、樹脂製枠体１４とＭＥＡ１２との接合体である。なお、図１では、第２ガス拡散層２８において、樹脂製枠体１４から溶融した樹脂が浸透した部位をクロスハッチングで示している。

次に、接合体である枠体付ＭＥＡ１０を得るための接合装置につき説明する。なお、以下において、「下方」、「上方」、「左方」、「右方」は、それぞれ、図面における下方、上方、左方、右方を意味するものとする。

図２は、本実施の形態に係る接合装置４０の要部縦断面図である。この接合装置４０は、位置決め固定部４２と、装置本体４４とを有する。

位置決め固定部４２は、第１ダイベース４６、第２ダイベース４８、載置用治具５０を有し、この中の載置用治具５０に、ＭＥＡ１２と、樹脂製枠体１４とが載置される。

この際、ＭＥＡ１２の外縁部は、樹脂製枠体１４の内縁部で囲繞される。樹脂製枠体１４の内縁部の上端面には、内縁部を周回するようにして突部５２（図３参照）が突出形成されている。また、該突部５２の外方には、該突部５２を囲繞する捕捉用凹部５４が陥没形成される。捕捉用凹部５４の容積は、突部５２の体積に比して若干小さい。

載置用治具５０には、図示しない第１冷媒通路が形成される。この第１冷媒通路に冷却媒体が流通されることにより、樹脂製枠体１４を源として軟化ないし溶融した樹脂の冷却硬化が促進される。

一方、装置本体４４は、押止盤５６、第１支持盤５８、第２支持盤６０及び第３支持盤６２を有するとともに、ＭＥＡ１２の上端面を押圧する第１押圧部６４と、樹脂製枠体１４の前記突部５２、すなわち、内縁部を上方から押圧する第２押圧部６６と、樹脂製枠体１４の外縁部を上方から押圧する第３押圧部６８とを有する。

第１押圧部６４は略長方形形状をなし、一方、前記押止盤５６は略矩形状をなす。なお、押止盤５６は、複数個の第１円柱部材７０を介して第２支持盤６０に支持されている。

第１押圧部６４は、後述する第１シリンダ７２（第２変位機構）の作用下に前進（下降）・後退（上昇）することが可能である。第１押圧部６４は、ＭＥＡ１２に比して若干小面積に設定されており、このため、ＭＥＡ１２（アノード電極２０）の外縁部は第１押圧部６４から露呈する。

第１押圧部６４と第３押圧部６８との間には、クリアランスが形成される。該クリアランスには、ＭＥＡ１２の外縁部端面と樹脂製枠体１４の内縁部端面とが対向した突き合わせ部が露呈する。第２押圧部６６は、このクリアランスに対して進入（又は離脱）し、後述する伝熱部材７４を介して前記突部５２を押圧する。

第１押圧部６４は、第２支持盤６０に支持されている。この点については、後述する。

一方、第３押圧部６８は、額縁形状の樹脂製枠体１４の外縁部を押圧し得るように、枠状（額縁形状）に形成されている。第３押圧部６８は、第２シリンダ７６（第３変位機構）の第２ロッド７８に連結されている。従って、第３押圧部６８は、第２ロッド７８の前進（下降）又は後退（上昇）に追従して下降又は上昇する。なお、第２シリンダ７６は、位置決め固定部４２に設けられた図示しない支持フレームに支持されている。

図２中の右方の第２押圧部６６の要部を拡大した図３に示すように、第２押圧部６６は、樹脂製枠体１４の第２収容孔３２の開口近傍に、第２押圧部６６を指向するように突出形成された突部５２を押圧するためのものである。

ここで、第２押圧部６６は、図４に示すように、分割片８０ａ〜８０ｄが、樹脂製枠体１４の突部５２に対応して枠状（額縁形状）となるように連結された組立体である。

分割片８０ａ〜８０ｄは、略直方体形状をなす。そして、分割片８０ａ、８０ｃは、分割片８０ｂ、８０ｄに比して長尺に形成されている。すなわち、分割片８０ａ、８０ｃは、枠状の第２押圧部６６の長辺をなし、一方、分割片８０ｂ、８０ｄは短辺をなす。

分割片８０ａ〜８０ｄの下端部からは、下方に指向する突起部８２が延在している（図３参照）。樹脂製枠体１４の突部５２は、この突起部８２によって押圧される。

以上のように構成される分割片８０ａ〜８０ｄの各々には、カートリッジヒータ８４（加熱手段）が個々に埋設される。これらのカートリッジヒータ８４が付勢されることに伴って、該カートリッジヒータ８４の熱が第２押圧部６６（図２及び図３参照）に伝達され、さらに、伝熱部材７４を介して突部５２に伝達される。伝熱部材７４に関しては、後述する。

第２押圧部６６は、第１支持盤５８に支持されている（図２参照）。第２押圧部６６と第１支持盤５８との間には、断熱ブロック８６、第１冷却ブロック８８、及び複数個の第１コイルスプリング９０（弾性部材）が介在する。

この中の断熱ブロック８６は、第２押圧部６６（分割片８０ａ〜８０ｄ）に比して幅広に設定されている。分割片８０ａ〜８０ｄの若干幅広な上端面から突出する断熱ブロック８６の下端面には、係止ブロック９２ａ、９２ｂが取り付けられる。これら係止ブロック９２ａ、９２ｂの水平方向に突出した下端部から、分割片８０ａ〜８０ｄの上端面を挿通して断熱ブロック８６に螺合されるボルト（図示せず）により、第２押圧部６６が断熱ブロック８６に連結される。

断熱ブロック８６及び第１冷却ブロック８８は、第２押圧部６６よりも上方に位置する部材等に熱が伝達されることを防止するべく、カートリッジヒータ８４から第２押圧部６６に伝達された熱を遮蔽するためのものである。従って、断熱ブロック８６は、熱伝導率が比較的小さい材料から構成される。

また、第１冷却ブロック８８には、図示しない第２冷媒通路が形成される。この第２冷媒通路に冷却媒体が流通されることにより、第１冷却ブロック８８、断熱ブロック８６及び第２押圧部６６の熱が速やかに奪取される。

第１冷却ブロック８８と第１支持盤５８との間には、前記第１コイルスプリング９０が介在する。従って、第１冷却ブロック８８、断熱ブロック８６及び第２押圧部６６は、前記第１コイルスプリング９０の作用下に、樹脂製枠体１４に指向して弾発付勢されている。

第１冷却ブロック８８の上端部には、案内ピン９４（案内部材）が立設されている。該案内ピン９４の頭部は、上方から下方に向かうにつれてテーパー状に縮径する略円錐台形状をなす。一方、第１支持盤５８には、その厚み方向に沿って挿入孔が貫通形成されており、各挿入孔には、フランジ部を有するスリーブ９６が挿入されている。フランジ部が第１支持盤５８の上端面に係止されることにより、スリーブ９６の挿入孔からの抜け止めがなされている。

スリーブ９６には、前記案内ピン９４が通される。フランジ部には、案内ピン９４の上方から下方に向かってテーパー状に縮径するテーパー孔９８が形成されており、案内ピン９４の頭部は、このテーパー孔９８に収容されている。案内ピン９４は、スリーブ９６の内壁に対して摺動可能であり、結局、テーパー孔９８に変位自在に挿入されている。

図５に示すように、テーパー孔９８は長穴形状として形成されている。

第２押圧部６６の内方には、第２冷却ブロック１００が配設される（図２参照）。この第２冷却ブロック１００には、図示しない第３冷媒通路が形成される。この第３冷媒通路に流通する冷却媒体は、主に第１押圧部６４を冷却することでＭＥＡ１２を冷却する。

第２冷却ブロック１００の外縁部から押止盤５６の内縁部には、略矩形状の伝熱部材７４が橋架される。伝熱部材７４には、略Ｖ字形状をなすＶ溝が形成されており（図３参照）、第２押圧部６６の突起部８２は、このＶ溝に進入する。

伝熱部材７４の内縁部及び外縁部には、鍔部が突出形成される。伝熱部材７４は、内縁部側の鍔部が第１枠状断熱部材１０２と第２冷却ブロック１００で挟持されるとともに、外縁部側の鍔部が押止盤５６と第２枠状断熱部材１０４で挟持されることにより、第２冷却ブロック１００から押止盤５６に橋架されている。

第２冷却ブロック１００及び第１押圧部６４は、それぞれ、第２円柱部材１０６及び第３円柱部材１０８を介して第２支持盤６０に支持される（図２参照）。すなわち、先ず、第２冷却ブロック１００は、複数本の第２円柱部材１０６によって第２支持盤６０の下端面に支持されている。

次に、第１押圧部６４の上端面には複数本の第３円柱部材１０８が連結されている。なお、第２円柱部材１０６及び第３円柱部材１０８はいずれも、第１支持盤５８に貫通形成された略長方形形状の四角穴１１０に通されている。

第３円柱部材１０８の端部は第２冷却ブロック１００に貫通形成された挿通孔１１２に通され、一方、小径な上端部は、第２支持盤６０に貫通形成された小径穴１１４に通された後、そのネジ部にワッシャ付ナット１１６が螺合されることで抜け止めがなされている。この抜け止めによって第３円柱部材１０８が第２支持盤６０に支持されることに伴い、該第３円柱部材１０８に連結された第１押圧部６４が第２支持盤６０に支持される。

ここで、小径な上端部は第２コイルスプリング１１８に通されている。第２コイルスプリング１１８の下端は第３円柱部材１０８のフランジ部に着座し、上端は第２支持盤６０の下端面に着座する。従って、第２支持盤６０が第１押圧部６４に対して相対的に前進（下降）したときには、第２コイルスプリング１１８が収縮する。

第２支持盤６０の外縁部近傍には、複数個の摺動孔１２０が貫通形成される。各摺動孔１２０に通された第４円柱部材１２２は、第１支持盤５８と第３支持盤６２を連結する。これにより、第２押圧部６６が第３支持盤６２に間接的に支持される。第４円柱部材１２２は、摺動孔１２０の内壁に対し、摩擦を生じながら摺接する。

第３支持盤６２の下端面には、第１シリンダ７２が設けられる。この第１シリンダ７２を構成する第１ロッド１２４は、前進（下降）することによって第２支持盤６０の上端面を押圧する。この押圧に伴い、第２支持盤６０、第２円柱部材１０６、第２冷却ブロック１００、第３円柱部材１０８及び第１押圧部６４が一体的に下降する。また、第１ロッド１２４が後退（上昇）して第２支持盤６０に対する押圧を解除すると、第２支持盤６０、第２円柱部材１０６、第２冷却ブロック１００、第３円柱部材１０８及び第１押圧部６４が一体的に上昇する。

一方、第３支持盤６２の上端面には、図示しないプレス機（第１変位機構）が設けられる。装置本体４４ないし第３支持盤６２は、該プレス機の作用下に下降又は上昇する。装置本体４４は、位置決め固定部４２に対して相対的に接近又は離間する方向に変位可能である。また、第３支持盤６２が昇降動作することに追従し、第４円柱部材１２２、第１支持盤５８、第１冷却ブロック８８、断熱ブロック８６、第２押圧部６６が一体的に昇降動作する。

前記プレス機には荷重センサ（図示せず）が付設されており、該荷重センサは、接触荷重を検知した際、そのことを信号として図示しない制御回路に送る。この信号を受けた制御回路は、第２押圧部６６が樹脂製枠体１４の突部５２に当接したと判断する。

接合装置４０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき、本実施の形態に係る接合方法との関係で説明する。

接合作業が開始される前段階では、装置本体４４は、位置決め固定部４２から離間した位置（例えば、上方）に待機している。この状態で、はじめに、ＭＥＡ１２及び樹脂製枠体１４を位置決め固定部４２に位置決め固定する。

すなわち、ＭＥＡ１２と樹脂製枠体１４とを載置用治具５０に載置する。この際、樹脂製枠体１４の段部３４の底面に、電解質膜１８のカソード電極１６から露呈した下端面縁部を載置する。段部３４の底面と、電解質膜１８の下端面縁部とは接着剤を介して接合するようにしてもよい。また、ＭＥＡ１２の外縁を樹脂製枠体１４で囲繞し、ＭＥＡ１２の外縁端面と樹脂製枠体１４の内縁端面とが対向した突き合わせ部を形成する。

次に、第２シリンダ７６を付勢し、その第２ロッド７８を前進させることで第３押圧部６８を下降させる。その結果、樹脂製枠体１４の外縁部が第３押圧部６８で押圧され、これにより樹脂製枠体１４が位置ズレを起こすことが防止される。

その一方で、前記第１冷媒通路〜前記第３冷媒通路の各々に冷却媒体を流通させる。冷却媒体としては、水やオイルを用いればよい。また、前記カートリッジヒータ８４を付勢する。

さらに、第１シリンダ７２の第１ロッド１２４を前進（下降）させる。前進した第１ロッド１２４が第２支持盤６０を押圧することにより、図６に示すように、第２円柱部材１０６、第２冷却ブロック１００、第３円柱部材１０８及び第１押圧部６４が下降する。その結果、伝熱部材７４が第２押圧部６６の突起部８２に対して相対的に下降し、該突起部８２から離間する。この下降の最中、摺動孔１２０の内壁に対して第４円柱部材１２２が摺接する。

次に、前記プレス機を付勢する。第４円柱部材１２２と摺動孔１２０の内壁の間に摩擦力が作用しているため、この段階では、プレス機の作用下に第３支持盤６２が下降することに追従して装置本体４４が位置決め固定部４２に向かって下降する。

第１押圧部６４や押止盤５６等が既に若干下降しているため、図７に示すように、第１押圧部６４がＭＥＡ１２の上端面（第２ガス拡散層２８の上端面）中、外縁部よりも内方に着座する。

同時に、第１押圧部６４の外方縁部と第３押圧部６８の内方縁部との間にクリアランスが形成されるとともに、該クリアランスに露呈した前記突き合わせ部、すなわち、第２押圧部６６に指向する突部５２に伝熱部材７４が着座する。この時点では、前記プレス機から付与された前進力に比して突部５２からの反力が大きく、このため、装置本体４４の下降が若干の間停止する。

この状態で、プレス機による第３支持盤６２への前進力の付与が継続される。この前進力が前記摩擦力を上回るために第３支持盤６２が下降し、これに追従して第１支持盤５８が下降する。このため、案内ピン９４を介して第１支持盤５８に支持された第２押圧部６６が下降し、図８に示すように、突起部８２が伝熱部材７４に着座する。

第２押圧部６６を構成する分割片８０ａ〜８０ｄ（図４参照）に埋設されたカートリッジヒータ８４が付勢されているため、第２押圧部６６にカートリッジヒータ８４からの熱が伝達される。この熱は、第２押圧部６６の突起部８２から伝熱部材７４に伝達される。

伝熱部材７４が突部５２に当接しているため、該突部５２にも熱が伝達される。その結果、該突部５２が加熱されて流動可能な程度に軟化し、軟化樹脂となる。なお、突部５２を溶融させるようにしてもよい。本明細書においては、溶融樹脂も軟化樹脂に含めるものとする。

この場合、分割片８０ａ〜８０ｄの各々は、１個の部材から構成された第２押圧部に比して小体積となる。従って、分割片８０ａ〜８０ｄの各々の熱膨張量も小さい。このため、分割片８０ａ〜８０ｄの長手方向中腹部が膨出するように撓むことが回避される。

しかも、本実施の形態では、第２押圧部６６を第１コイルスプリング９０で支持することにより、いわゆるフローティング状態としている。このため、突部５２の突出長さ（高さ方向寸法）の高低差や、若干の反り等の歪みが存在する場合には、第１コイルスプリング９０の圧縮の度合いがそれに対応して相違するようになる。すなわち、第１コイルスプリング９０の圧縮量は、他の部位に比して歪みが大きい箇所では小さく、歪みが小さい箇所では大きい。このため、第２押圧部６６の突起部８２が適切な加圧力で突部５２を押圧する。

以上のような理由から、第２押圧部６６の突起部８２によって突部５２の全体が略均等に押圧される。このために押圧ムラや加熱ムラが生じ難い。しかも、テーパー孔９８が長穴形状であるので（図５参照）、分割片８０ａ〜８０ｄが熱膨張を起こした際、案内ピン９４がテーパー孔９８に拘束されることがない。このため、案内ピン９４が変形することが回避される。

ここで、第１冷媒通路〜第３冷媒通路には冷却媒体が流通されているが、カートリッジヒータ８４の発熱量は、該冷却媒体と熱交換が行われてもなお突部５２が軟化する程度に設定される。このため、突部５２の軟化が阻害されることが回避される。

プレス機の作用による第３支持盤６２の下降、及び第１ロッド１２４による第２支持盤６０への押圧が継続されているので、突部５２が軟化樹脂となった状態に至ると、プレス機及び第１シリンダ７２から付与された前進力が突部５２からの反力を上回るようになる。従って、図２に示すように、第２コイルスプリング１１８が圧縮されるとともに、第２冷却ブロック１００、押止盤５６、第１枠状断熱部材１０２、第２枠状断熱部材１０４、伝熱部材７４及び第２押圧部６６がさらに下降する。

この下降に伴って、軟化樹脂が第２押圧部６６及び伝熱部材７４によって加圧される。すなわち、図９に示すように突部５２が圧潰される。このため、突き合わせ部では、ＭＥＡ１２及び樹脂製枠体１４の上端面同士が面一となり、伝熱部材７４は、面一となった上端面に当接する。

また、第１支持盤５８及び第３支持盤６２が若干下降し、案内ピン９４がテーパー孔９８から突出する。また、この下降に伴って第１コイルスプリング９０が圧縮される（図２参照）。

第２押圧部６６が突き合わせ部の上端面に当接したときの接触荷重を荷重センサが感知して制御回路に信号を送ると、制御回路は、プレス機を滅勢することで第３支持盤６２のそれ以上の下降動作を停止させる。

突部５２を源とする軟化樹脂は、容易に流動する。上記したように突部５２の全体が第２押圧部６６の突起部８２によって略均等に押圧されているため、押圧ムラや加熱ムラが生じ難いからである。

この場合、突部５２の近傍に捕捉用凹部５４が形成されているので、軟化樹脂が第３押圧部６８側に流動したときには、該軟化樹脂が捕捉用凹部５４に捕捉される。すなわち、軟化樹脂の流動先が確保されるので、軟化樹脂が堰止されることに起因して盛り上がり部が形成されることを回避することができる。その一方で、アノード電極２０に向かって流動した軟化樹脂は、第２ガス拡散層２８が多孔質体であるため、該第２ガス拡散層２８に浸透する。

この間、ＭＥＡ１２及び樹脂製枠体１４は、各々の下端面に対して面接触した載置用治具５０により冷却される。上記したように載置用治具５０に形成された第１冷媒通路に冷却媒体が流通しているからである。また、第２冷却ブロック１００の第３冷媒通路にも冷却媒体が流通しており、さらに、伝熱部材７４は、突部５２に当接する部位以外、第１枠状断熱部材１０２及び第２枠状断熱部材１０４に覆われている。このため、突部５２及びその近傍以外の部位の温度が過度に上昇することが回避されるので、ＭＥＡ１２や樹脂製枠体１４に反りが発生することを回避することができる。

しかも、第２冷却ブロック１００に形成された第３冷媒通路を流通する冷却媒体により、第２ガス拡散層２８に浸透した軟化樹脂が効率よく冷却され、比較的短時間で硬化する。これにより、第２ガス拡散層２８（アノード電極２０）と樹脂製枠体１４とが一体的に接合され、接合品としての枠体付ＭＥＡ１０が得られるに至る。

その上、第２押圧部６６の上方に第１冷却ブロック８８及び断熱ブロック８６が設けられているため、第１支持盤５８よりも上方に熱が伝達されることを回避することも容易である。

その後、プレス機の作用下に第３支持盤６２を上昇させて第１支持盤５８を上昇させ、これにより第１コイルスプリング９０を第１支持盤５８による押圧から解放する。その結果、第１コイルスプリング９０が伸張して第２冷却ブロック１００、断熱ブロック８６及び第２押圧部６６を下方に指向して弾発付勢する。また、図１０に示すように、案内ピン９４の頭部がテーパー孔９８に戻る。

この際、テーパー形状をなす案内ピン９４の頭部によってテーパー孔９８が案内される。この案内により、第２押圧部６６が当初の位置に戻る。

第３支持盤６２及び第１支持盤５８がさらに上昇すると、図１１に示すように、第２押圧部６６が伝熱部材７４から離間する。これにより、樹脂製枠体１４に対する加熱及び加圧が終了する。

また、第１シリンダ７２の第１ロッド１２４が第２支持盤６０から離間するので、第２支持盤６０が第１ロッド１２４の押圧から解放される。これに伴って第２コイルスプリング１１８が伸張し、図１２に示すように、第１押圧部６４が元の位置に戻るとともに、押止盤５６や伝熱部材７４が突き合わせ部から離間する。

前記プレス機の動作がさらに続行されると、装置本体４４が位置決め固定部４２から離間する。さらに、第２シリンダ７６の第２ロッド７８が後退して収縮することにより、第３押圧部６８が樹脂製枠体１４から離間する方向に変位する。以上により、枠体付ＭＥＡ１０が第１押圧部６４、第２押圧部６６及び第３押圧部６８から解放される。その後、枠体付ＭＥＡ１０を載置用治具５０から取り出せばよい。

この枠体付ＭＥＡ１０では、ＭＥＡ１２と樹脂製枠体１４との接合強度が優れる。上記したように、樹脂製枠体１４の突部５２が略均等に加熱されることで全体にわたって軟化樹脂となり、さらに、この軟化樹脂が略均等に加圧されることで良好に流動して第２ガス拡散層２８に浸透しているからである。

本発明は上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、接合装置４０の用途は、枠体付ＭＥＡ１０を作製する場合に限定されるものではない。すなわち、第１ワーク及び第２ワークは、第２ガス拡散層２８、樹脂製枠体１４に特に限定されるものではなく、第１ワークの外縁部と第２ワークの内縁部とを接合して接合品を得る場合全般に使用することが可能である。

そして、第２ワークを押圧・加熱する第２押圧部は、第２ワークの形状に対応する形状とすればよい。すなわち、第２ワークの加熱すべき部位が円形状であれば、例えば、６個の円弧状分割片同士を組み合わせて円形状の第２押圧部を構成するようにすればよい。

なお、このことから諒解されるように、第２押圧部を構成する分割片の個数及び形状は任意である。

また、突部５２を設けることは特に必須ではなく、第１収容孔３０や第２収容孔３２近傍の部位のみを軟化して第２ガス拡散層２８に浸透させるようにしてもよい。いずれにおいても、第２ガス拡散層２８ではなく、カソード電極１６の第１ガス拡散層２２に樹脂を含浸するようにしてもよい。

さらに、第１支持盤５８、第２支持盤６０、第３支持盤６２及び押止盤５６の少なくともいずれかに冷媒通路を形成して冷却媒体を流通させるようにしてもよい。

１０…枠体付ＭＥＡ １２…電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）
１４…樹脂製枠体 １６…カソード電極
１８…電解質膜 ２０…アノード電極
２２…第１ガス拡散層 ２８…第２ガス拡散層
４０…接合装置 ４２…位置決め固定部
４４…装置本体 ５０…載置用治具
５２…突部 ５４…捕捉用凹部
５６…押止盤 ５８…第１支持盤
６０…第２支持盤 ６２…第３支持盤
６４…第１押圧部 ６６…第２押圧部
６８…第３押圧部 ７２…第１シリンダ
７４…伝熱部材 ７６…第２シリンダ
８０ａ〜８０ｄ…分割片 ８２…突起部
８４…カートリッジヒータ ８６…断熱ブロック
８８…第１冷却ブロック ９０…第１コイルスプリング
９２ａ、９２ｂ…係止ブロック ９４…案内ピン
９８…テーパー孔 １００…第２冷却ブロック
１０２…第１枠状断熱部材 １０４…第２枠状断熱部材
１１８…第２コイルスプリング

Claims (9)

1. 第１ワークの外縁部と、枠体からなる第２ワークの、前記第１ワークの前記外縁部を囲繞した内縁部とを接合するための接合装置であって、
   前記第１ワークを押圧するための第１押圧部と、
   前記第１押圧部を前記第１ワークに対して接近又は離間させる方向に変位させる第１変位機構と、
   前記第２ワークの前記内縁部を押圧するための第２押圧部と、
   前記第２押圧部を加熱することで前記第２ワークの前記内縁部を加熱する加熱手段と、
   前記第２押圧部を前記第２ワークに対して接近又は離間させる方向に変位させる第２変位機構と、
   を有し、
   前記第２押圧部が、複数個に分割された分割片同士が連結されることで構成され、
   前記加熱手段が、前記分割片毎に設けられるとともに、
   前記第１ワークが多孔質体からなり、且つ前記第２ワークが樹脂製枠体からなり、前記多孔質体の外縁部と前記樹脂製枠体の内縁部とを接合することを特徴とする接合装置。
2. 請求項１記載の接合装置において、前記第２ワークの外縁部を押圧する第３押圧部と、前記第３押圧部を前記第２ワークの前記外縁部に対して接近又は離間させる方向に変位させる第３変位機構とをさらに有することを特徴とする接合装置。
3. 請求項１又は２記載の接合装置において、前記第２押圧部と、前記第２ワークの前記内縁部との間に介在する伝熱部材を有することを特徴とする接合装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合装置において、前記第１押圧部を冷却する冷却手段を有することを特徴とする接合装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合装置において、前記第２押圧部を支持する支持盤を有し、前記第１変位機構は、前記支持盤を変位させることで前記第２押圧部を変位させることを特徴とする接合装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合装置において、前記第２ワークの前記内縁部近傍に、前記第２押圧部に指向する突部が突出形成されるとともに、前記第２押圧部は、前記突部を押圧することを特徴とする接合装置。
7. 第１ワークの外縁部と、枠体からなる第２ワークの、前記第１ワークの前記外縁部を囲繞した内縁部とを接合する接合方法であって、
   前記第１ワークを第１押圧部で押圧するとともに、前記第２ワークの前記内縁部を第２押圧部で押圧する工程と、
   前記第２押圧部を加熱手段によって加熱することで、前記第２ワークの前記内縁部を加熱して軟化させ、前記第１ワークの前記外縁部に流動させる工程と、
   前記第１ワークの前記外縁部に流動した軟化物を硬化させることで、前記第１ワークの前記外縁部と、前記第２ワークの前記内縁部とを接合する工程と、
   を有し、
   前記第２押圧部を、複数個に分割された分割片同士を連結した連結体として構成するとともに、前記加熱手段を前記分割片毎に設け、
   前記第２ワークの前記内縁部を加熱する際、前記分割片の全てを前記加熱手段で加熱するとともに、
   前記第１ワークとして多孔質体を用い且つ前記第２ワークとして樹脂製枠体を用い、前記樹脂製枠体の内縁部を軟化させて前記多孔質体の外縁部に浸透させることを特徴とする接合方法。
8. 請求項７記載の接合方法において、さらに、前記第２ワークの外縁部を第３押圧部で押圧し、その後、該第２ワークの前記内縁部を加熱することを特徴とする接合方法。
9. 請求項７又は８記載の接合方法において、前記第２ワークの前記内縁部近傍に、前記第２押圧部に指向する突部を突出形成し、前記突部を前記第２押圧部で押圧することを特徴とする接合方法。

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