JP6133810B2

JP6133810B2 - 燃料電池の製造装置

Info

Publication number: JP6133810B2
Application number: JP2014075494A
Authority: JP
Inventors: 克彦木下; 孝行野澤
Original assignee: Sintokogio Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Sintokogio Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2034-04-01
Also published as: JP2015198010A

Description

本発明は、燃料電池の製造装置に関する。

燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）を供給することにより発電する燃料電池の構成要素として、膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）がある。この膜電極接合体は、電解質膜の両面をアノード電極及びカソード電極で挟持してなるものである。

膜電極接合体におけるアノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層からなり、この触媒層にはそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガスを拡散するためのガス拡散層が積層されている。このガス拡散層と膜電極接合体とが一体となった構成を、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称することもある。

このような膜電極接合体（膜電極ガス拡散層接合体）を製造する際には、例えば、高分子電解質膜の上に、アノード電極又はカソード電極となる触媒層及びガス拡散層を配置した後、これらを挟み込んで圧着することにより接合一体化させる膜電極接合体の製造装置が用いられる（例えば、特許文献１等参照）。

下記特許文献１に記載された膜電極接合体の製造装置は、一方の電極を支持する治具本体（下治具）と、当該治具本体の上方に位置し、他方の電極を支持するプレートと、当該プレートの上方に上下移動可能に配置され、電解質膜及び一対の電極を加圧するための加圧用部材（上治具）とを備える。そして、膜電極接合体を製造する際には、上治具を上方からかぶせてプレートを下降させ、プレートに載置された他方の電極及び電解質膜を、下治具に載置された一方の電極にプレス接合するようになっている。

特開２０１０−２５７９２５号公報

ところで、一般的な膜電極接合体の製造装置においては、上述したように、上方から上治具をかぶせて、上治具と下治具との間に配置された電解質膜と一対の電極をプレス接合するものであるが、図３に示すように、プレス時に上治具１１０及び下治具１２０に位置ずれが生じないよう上治具１１０に固定される枠１４０を下治具１２０外縁側に設ける必要がある。プレス時には、この枠１４０の上部に設けられた嵌合部１５１が、上治具１１０に形成された凹部１５２に嵌合されるため、上治具１１０と下治具１２０とが固定されるようになっている。

このような下治具１２０の外縁側に枠１４０を備えた膜電極接合体の製造装置１００では、プレート１３０が下降することによりプレート１３０の下方側に存在するエアが加圧され、図３の矢印Ａ１のように、下治具１２０の台座１２１とプレート１３０の隙間から上方に排出される。この上方に排出されるエアにより、プレート１３０に載置された電極（ワーク１０１）が動き、位置ずれが生じてしまうおそれがあった。このようなワークの位置ずれが生じてしまうと、不良品の発生を招来するため改善する必要があった。

本発明の目的は、電解質膜の両側に配された電極を加圧して接合する場合に、ワークの位置ずれを抑制し、不良品の発生を低減させることができる燃料電池の製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池の製造装置は、電解質膜の両面にアノード電極及びカソード電極を接合させた膜電極接合体を有する燃料電池の製造装置であって、前記アノード電極側及び前記カソード電極側の一方に接合される第１板状ワークを載置する台座を有する下治具と、前記アノード電極側及び前記カソード電極側の他方に接合される第２板状ワークを載置し、上下方向に移動可能なプレートと、前記プレートを介して前記下治具に対向して配置される上治具とを備え、前記下治具外縁側に、前記上治具と前記下治具とを固定する枠部が周回して設けられており、前記枠部の下部には、当該枠部の内側側壁と外側側壁とを連通させるエア排出孔が開口していることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池の製造装置では、下治具の外縁側に、上治具と下治具とを固定する枠部が周回して設けられており、枠部の下部には、当該枠部の内側側壁と外側側壁とを連通させるエア排出孔が設けられている。このようにエア排出孔が設けられているため、上治具に押される形でプレートが下降することによりプレートの下方側に存在するエアが加圧された場合に、この枠部の内側のエアがエア排出孔を通って枠部の外側に排出されるので、上方に排出されることを抑制することができる。このため、プレートの下方側に存在するエアがプレートと下治具の台座との隙間から上方に排出され、プレートに載置された第２板状ワークに直接当たることを抑制することができる。その結果、プレートに載置された第２板状ワークの位置ずれを抑制することができるため、不良品の発生を低減させることができる。

本発明によれば、電解質膜の両側に配された電極を加圧して接合する場合に、ワークの位置ずれを抑制することができるので、不良品の発生を低減させることができる燃料電池の製造装置を提供することができる。

本発明の実施形態における燃料電池の製造装置の概略構成を示す断面図である。本発明の実施形態における第２板状ワークの位置ずれ量と不良率について、従来と比較するためのグラフである。従来の構成を説明するための図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

図１を参照しながら本実施形態における燃料電池の製造装置１について説明する。図１は、燃料電池の製造装置１の概略構成を示す断面図である。燃料電池の製造装置１は、カソード拡散層１１とアノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２とを接合する装置である。図１では、カソード拡散層１１（第１板状ワーク）と、アノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２（第２板状ワーク）とを接合する前の状態を示している。以下では、ＭＥＡの両面にガス拡散層（アノード拡散層及びカソード拡散層）を形成したものをＭＥＧＡ（Membrane Electrode&Gas Diffusion Layer Assembly）とも称する。

なお、ＭＥＡは、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、アノード、電解質膜、カソードを備えている。電解質膜の一方の面には、アノードが形成され、他方の面にはカソードが形成されている。また、アノード及びカソードは、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極である。また、ＭＥＡの両面に形成されるガス拡散層（アノード拡散層又はカソード拡散層）は、ガス拡散層に供給された反応ガスを拡散して、アノードまたはカソードの全面に供給するものである。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材によって形成することができる。

図１に示すように、本実施形態における燃料電池の製造装置１は、加圧用部材２１（上治具）と、治具本体３１（下治具）と、フローティングプレート４１（プレート）とを備える。

加圧用部材２１は、アノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２を、カソード拡散層１１に加圧して接合させるための部材である。加圧用部材２１は、フローティングプレート４１を介して治具本体３１に対向して配置され、治具本体３１及びフローティングプレート４１とは独立に上下移動させることが可能である。加圧用部材２１を下方に移動させると、加圧用部材２１に押される形でフローティングプレート４１が下降するようになっている。

フローティングプレート４１は、加圧用部材２１と治具本体３１との間に配置され、アノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２を支持している。フローティングプレート４１は、上下方向に伸縮可能なバネ４２によって治具本体３１の上方に支持されている。このようにフローティングプレート４１はバネ４２に支持されているため、フローティングプレート４１は上下方向に移動可能となっている。なお、フローティングプレート４１はバネ４２によって支えられるものであるが、他の機構（アクチュエータなど）を使用しても構わない。

治具本体３１は、加圧用部材２１に対向して配置され、アノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２と接合されるカソード拡散層１１を載置する台座３２を備えている。また、治具本体３１は、その外縁側に加圧用部材２１と治具本体３１とを固定するための枠部５１を備えている。

台座３２は、治具本体３１の中央側に設けられ、カソード拡散層１１を載置するための基台である。台座３２に載置されたカソード拡散層１１は、加圧用部材２１に押される形でフローティングプレート４１が下降したときに、フローティングプレート４１に載置されたアノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２に接合される。なお、フローティングプレート４１の内縁側４１ａと台座３２の外縁３２ａとは、僅かな隙間をあけた状態で、フローティングプレート４１が台座３２に対して上下方向に移動するようになっている。

枠部５１は、治具本体３１の外縁側に設けられ、加圧用部材２１と治具本体３１とを横方向（図１の左右方向）に位置ズレさせることなく固定するための部材である。具体的には、加圧用部材２１が下降し、加圧用部材２１外側の下面が枠部５１の上面に圧接された際に、枠部５１の上面に設けられた係合部６１が、加圧用部材２１の外側に設けられた被係合部７１に係合されて、治具本体３１と加圧用部材２１とが固定されるようになっている。なお、本実施形態では、枠部５１は、治具本体３１の外縁側に設けられるものであるが、加圧用部材２１と治具本体３１とを固定するための機能を有していれば良く、その形状や大きさは様々なものが選択され得る。また、本実施形態では、治具本体３１における枠部５１と台座３２との間を、フローティングプレート４１が上下方向に移動するようになっている。

枠部５１に設けられるエア排出孔５２について説明する。エア排出孔５２は、枠部５１の下部に開口し、枠部５１の内側側壁５１ａと外側側壁５１ｂとを連通させて空気を排出する流路となっている。このようにエア排出孔５２が設けられているため、上治具３１に押される形でフローティングプレート４１が下方に移動し、フローティングプレート４１の下方側に存在するエアが加圧された場合に、枠部５１の下部に開口されたエア排出孔５２を通じてエアが排出される。

なお、エア排出孔５２は、フローティングプレート４１の下方側に存在するエアが加圧された場合に、台座３２とフローティングプレート４１との隙間から上方に排出されるエアを抑制するような機能を有すればよく、枠部５１に形成されるその大きさや形状は様々なものが選択され得る。

以上のように、本実施形態における燃料電池の製造装置１によれば、治具本体３１の外縁側に、加圧用部材２１と治具本体３１とを固定する枠部５１が周回して設けられており、枠部５１の下部には、当該枠部５１の内側側壁５１ａと外側側壁５１ｂとを連通させるエア排出孔５２が設けられている。このようにエア排出孔５２が設けられているため、加圧用部材２１に押される形でフローティングプレート４１が下降することによりフローティングプレート４１の下方側に存在するエアが加圧された場合に、このエアが上方に排出されることを抑制することができる。このため、フローティングプレート４１の下方側に存在するエアが、台座３２とフローティングプレート４１との隙間から上方に排出されて、フローティングプレート４１に載置されたアノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２に直接当たることを抑制することができる。その結果、フローティングプレート４１に載置されたアノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２の位置ずれを抑制することができるため、不良品の発生を低減させることができる。

続いて、図１に示した燃料電池の製造装置１を用いて、アノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２とカソード拡散層１１とを接合する方法について説明する。なお、接合手順は一例であり、これに限定されることはない。

まず、台座３２にカソード拡散層１１を載置し、フローティングプレート４１にアノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２を載置した状態で、可動手段（図示省略）によって加圧用部材２１を治具本体３１及びフローティングプレート４１に接近させるように下降させる。すると、加圧用部材２１に押される形で、フローティングプレート４１が下降し、フローティングプレート４１に載置されたアノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２と、台座３２に載置されたカソード拡散層１１とが、加圧用部材２１と台座３２とで挟み込まれる。

そして、アノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２とカソード拡散層１１とが挟み込まれた状態で、加圧用部材２１と台座３２にそれぞれ熱を加えて加圧する、いわゆるホットプレスを行う。所定時間の加圧を行った後、加圧用部材２１及びフローティングプレート４１をそれぞれ初期状態に戻すと、ＭＥＡの両面にガス拡散層が接合されてなるＭＥＧＡが得られる。

このように、加圧用部材２１と治具本体３１とで、アノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２とカソード拡散層１１とを挟み込んだ後に加熱及び加圧することで、ＭＥＡの両面にガス拡散層を接合することができる。

なお、本実施形態では、アノード拡散層及びＭＥＡ接合品１２とカソード拡散層１１とを接合してＭＥＧＡを製造する例について説明したが、本実施形態における燃料電池の製造装置１を用いて、電解質膜の両面にアノード電極及びカソード電極を接合してＭＥＡを製造するように構成しても良い。

続いて、図２を参照しながら第２板状ワークの位置ずれ量と不良率について説明する。図２は、本発明の実施形態における第２板状ワークの位置ずれ量と不良率について、従来と比較するためのグラフである。図２に表すグラフの左縦軸は、第２板状ワークの位置ずれ量を表し、図２に示すグラフの右縦軸は、不良率を表している。

まず、第２板状ワークの位置ずれ量について本発明と従来とを比較する。図２に表されるように、本発明の方が、従来よりも第２板状ワークの位置ずれ量を低減させることができている。具体的には、本発明の第２板状ワークの位置ずれ量Ｗ２（ｍｍ）は、従来の第２板状ワークの位置ずれ量Ｗ１（ｍｍ）よりも約５０％低減できることが確認された。

次に、不良率について本発明と従来とを比較する。不良率については、図２に表す不良率の閾値Ｄとの大小を比較することにより、良品か不良品かを判定する。具体的には、不良率の値が閾値Ｄよりも大きければ不良品であると判定し、不良率の値が閾値Ｄよりも小さければ、良品であると判定する。図２に表わされるように、従来の不良率の値Ｇ１は閾値Ｄを上回っているのに対し、本発明の不良率の値Ｇ２は、閾値Ｄを大幅に下回っている。つまり、本発明は不良率の値が低く、従来よりも不良品の発生を低減できることが確認された。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。

例えば上記実施形態において、１１がカソード拡散層、１２がアノード拡散層及びＭＥＡ接合品としたが、これに限られず、１１がアノード拡散層、１２がカソード拡散層及びＭＥＡ接合品としてもよい。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１：燃料電池の製造装置
１１：カソード拡散層
１２：アノード拡散層及びＭＥＡ接合品
２１：加圧用部材
３１：治具本体
３２：台座
４１：フローティングプレート
４２：バネ
５１：枠部
５２：エア排出孔

Claims

電解質膜の両面にアノード電極及びカソード電極を接合させた膜電極接合体を有する燃料電池の製造装置であって、
前記アノード電極側及び前記カソード電極側の一方に接合される第１板状ワークを載置する台座を有する下治具と、
前記アノード電極側及び前記カソード電極側の他方に接合される第２板状ワークを載置し、上下方向に移動可能なプレートと、
前記プレートを介して前記下治具に対向して配置される上治具とを備え、
前記下治具外縁側に、前記上治具と前記下治具とを固定する枠部が周回して設けられており、
前記枠部の下部には、当該枠部の内側側壁と外側側壁とを連通させるエア排出孔が開口していることを特徴とする燃料電池の製造装置。