JP6988522B2

JP6988522B2 - 光照射装置

Info

Publication number: JP6988522B2
Application number: JP2018013187A
Authority: JP
Inventors: 智之曽田; 晋平野納
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: JP2019133781A

Description

本発明は、例えば燃料電池用のセパレータにＵＶ光を照射する光照射装置に関する。

従来、燃料電池セルとして、電解質の両面に電極が配置されて構成されるＭＥＧＡ（Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly）やＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）などの発電体としての電極アセンブリと、この電極アセンブリの周囲に配設されたシール層と、電極アセンブリを両面から挟み込んだ状態で前記シール層を介して接着されて一方の電極側に燃料ガス通路が形成されかつ他方の電極側に酸化ガス通路を形成する一対のセパレータと、を備えたものが知られている。燃料電池は、セパレータを隔壁板として複数の燃料電池セルを積層することによって構成されている。シール層は、一対のセパレータを接着する層であり、各電極の外周部分で酸素と水素が直接接触するのを防ぐ役割を果たす。

セパレータはプレス成形によってガス通路が形成された薄板金属で構成されており、電極アセンブリに重ね合わされた状態でレーザを照射して接着される。セパレータに対してレーザを照射して接着作業を行う際に、セパレータを挟んでレーザ光源の反対側から凸面体を押し当てる技術が提案されている（特許文献１）。

また、燃料電池用の金属セパレータの搬送に際して、金属セパレータをクランプによって把持・固定し、クランプ同士を互いに離間させて金属セパレータを外方に引っ張ることで、金属セパレータの全面に亘って反り返りや撓みの除去を図る方法が提案されている（特許文献２）。

特開２０１０−１２９４５９号公報特開２０１５−１１８８１０号公報

燃料電池用のセパレータは、セパレータの接着工程の前処理工程としてＵＶ（紫外線）照射を行い、その際に、接着力向上及び親水性向上のためにセパレータの全面にＵＶ照射することが望ましい。しかしながら、セパレータは金属薄板から構成されているので撓むおそれがあり、撓んだ状態では、セパレータの表面に対して均一且つ良好にＵＶ照射することができない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池用のセパレータにＵＶ光を照射する際に、セパレータの表面に対して均一且つ良好にＵＶ光を照射することができる光照射装置を提供することである。

上記した課題を解決するための手段として、本発明の光照射装置は、
セパレータを把持する把持部と、
把持された前記セパレータに対してＵＶ光を照射することによって表面のシール性を向上させることが可能なＵＶ光源と、
把持された前記セパレータに対して前記ＵＶ光源の反対側から押し付けられる凸面体と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、セパレータは、把持部によって把持された状態で凸面体を押し当てられるので、ＵＶ光源側に膨らむ態様で張りが付与され、不均一な照射の原因となるような撓みや歪みが生じるのを回避することができる。そして、張りが付与された状態でセパレータの表面にＵＶ光が照射されるので、セパレータの表面に対して均一且つ良好にＵＶ光を照射することができる。

本発明の光照射装置によれば、セパレータのＵＶ光が照射される面はどの部分も同じような条件でＵＶ光の照射が施されることになり、シール面の接着力が向上するとともにセパレータ流路の親水性も向上させることができる。

本発明による光照射装置の一実施例を示す図。本発明による光照射装置の別の実施例を示す図。本発明による光照射装置の更に別の実施例を示す図。本発明による光照射装置の他の実施例を示す図。本発明による光照射装置の一比較例を示す図。本発明による光照射装置の別の比較例を示す図。

以下、添付した図面を参照して本発明による光照射装置の実施例について説明する。図１は本発明による光照射装置の一実施例を示す図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）の面Ａ−Ａにおける側面断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の面Ｂ−Ｂにおける平面断面図であり、図１（ｃ）は引っ張り矯正ユニットによるワークＷの張りの様子を説明する図である。

図１に示す光照射装置１は、燃料電池セルに用いられるセパレータであるワークＷを引っ張りながら保持するために、ワークＷの四つの角部Ｗｅをそれぞれ対角方向に引っ張ることができる把持部としての引っ張り矯正ユニット２を備えている。四つの引っ張り矯正ユニット２は、ワークＷの各角部Ｗｅを掴んだ状態でワークＷを水平方向に搬送することができるように構成されている。搬送方向は、図１（ａ）で紙面に垂直方向、即ち、図１（ｂ）では紙面の上方向（紙面をＸ−Ｙ座標系とした場合、Ｙ方向）である。

各引っ張り矯正ユニット２は、図示しない装置フレームに対して水平面内で移動可能に配設されているユニット本体３と、ユニット本体３を水平方向で且つワークＷの対角方向に付勢する付勢部材４を備えている。ユニット本体３は、装置フレームに対して水平面内で移動可能なスライダ５と、スライダ５の上部に取り付けられたチャック支持体６と、チャック支持体６において上下に開閉可能に設けられており、ワークＷの角部Ｗｅを掴むことができるチャック７を備えている。各引っ張り矯正ユニット２は、ワークＷの主要部分から最も離れている角部Ｗｅを掴むので、ワークＷのほぼ全面にＵＶ照射する場合であっても、引っ張り矯正ユニット２による掴みがワークＷの製品精度に影響することはない。

付勢部材４は、Ｘ方向に付勢する第１スプリング手段１１とＹ方向に付勢する第２スプリング手段１２とを組み合わせて構成されている。第１スプリング手段１１は、図示しない装置フレームに対して、チャック支持体６のＸ方向内側に取り付けられたスプリング受け１３、及びスプリング受け１３とチャック支持体６との間にＸ方向に圧縮状態に配置されている第１スプリング１４とを備えている。また、第２スプリング手段１２は、図示しない装置フレームに対して、チャック支持体６のＹ方向外側に取り付けられたスプリング受け１５、及びスプリング受け１５とチャック支持体６との間にＹ方向に引っ張り状態に配置されている第２スプリング１６とを備えている。

第１スプリング手段１１において第１スプリング１４がＸ方向外側に付勢する圧縮ばね力と、第２スプリング手段１２において第２スプリング１６がＹ方向外側に付勢する引っ張りばね力とは、図１（ａ），（ｂ）に示すようにいずれも水平面内の力である。両ばね力の合成力によって、ワークＷは、図１（ｂ）において矢印で示すように、ワークＷの水平面内において四隅が対角方向に広げられるように引っ張られる。ワークＷは、引っ張らないとすると、図１（ｃ）に破線Ｗｓで示すように、掴み搬送時に自重によって中央部が垂れるように撓み変形するおそれがあるが、引っ張り矯正ユニット２によって四隅を対角方向に引っ張ることにより、撓み変形が抑制又は防止され、略水平に保持される。

ワークＷの上方において、装置上フレーム１７の天井面にはＵＶ光源としてのＵＶランプ１８が配設されている。ＵＶランプ１８から下方に放たれたＵＶ光は、ワークＷの被照射面である上面(表面)を照射する。

ワークＷを間に介してＵＶランプ１８とは反対側の位置に、凸面体としての倣いプレート２１が上下移動可能に配設されている。倣いプレート２１は、上昇によりワークＷに押し当てられる上面が平面よりも凸状となった凸面２２となっている。凸面２２は、滑らかで且つ緩やかな湾曲面、特に、曲率が小さく、且つ中央部分がワークＷの中央部分に対応した球面の一部であるとすることが好ましい。凸面２２は、曲率が小さい円筒面の一部であってもよい。倣いプレート２１は、ワークＷの下方から持ち上げられ、四隅の角部Ｗｅが引っ張り矯正ユニット２で把持されることで水平引っ張り保持されているワークＷの下面に凸面２２が押し当てられる。

ワークＷは、倣いプレート２１の持ち上げによって凸面２２が押し当てられると、凸面２２に倣って変形し、引っ張り矯正ユニット２による水平引っ張りに加えて更に張りが付与される。したがって、図１（ｃ）に示すように、引っ張り矯正ユニット２によって水平引っ張り保持されているワークＷの姿勢が微小なうねりのような撓みや歪みによって安定しないことがあったとしても、倣いプレート２１の持ち上げによって、不均一な照射の原因となるようなうねりを伴う撓みや歪みは吸収される。その結果、ＵＶランプ１８によるワークＷの照射面までの最長照射距離が短縮され、照射距離Ｌを一定にした状態で保持することができ、常に安定した姿勢でＵＶ照射をすることができる。また、薄いワークＷを全体として規格照射距離内に入れることができ、ワークＷに傷を付けることや折り目を付けることも無くすことができる。

燃料電池セルは、セパレータとセパレータを熱可塑樹脂性の接着シートを用いて加熱溶融後、冷却固化することにより接着し、セル内を流れるガスのシール性を担保している。接着力にはセパレータのシール面に汚れが無いことが望ましく、ＵＶ照射することによりシール性が向上することが判明している。また、従来、セパレータ流路の親水性を向上させる目的でセパレータへのＵＶ照射を行っている。本実施例によれば、ＵＶランプ１８との照射距離Ｌを短縮させてＵＶ照射の照射強度効率を上げ、接着力向上及び親水性向上のためにワークＷの全面にＵＶ照射することも可能になる。また、照射距離短縮のためにワークＷを極力水平な状態で保持させながら搬送させることもできる。更に、ＵＶ照射の照射強度効率を向上させて積算光量を増加させることができるので、設備コスト（ＵＶランプ１８を構成するランプ本数）及び設備スペースの５０％程度を削減することができる。

本発明による光照射装置の別の実施例が図２に示されている。図２に示す実施例は図１に示す実施例と比較してＵＶランプの構造が異なる以外に変更はない。したがって、図２には図１（ａ）に相当する側面断面図のみを示し、平面断面図については図１（ｂ）と同等であるので図示を省略する。また、図１（ａ）に示したものと変更がないものについては、同じ符号を付すことで再度の説明を省略する。

本実施例において特徴的なことは、ＵＶ光源の端部をＵＶ光源の中央部よりもセパレータ側に突出した位置に配置し、凸面体が押し当てられて膨らんだセパレータに対して、その全面に均一の照射強度でＵＶ光を照射する構成としたことである。図２に示す光照射装置３０は、図１に示した光照射装置１で採用した、引っ張り矯正ユニット２によるワークＷの対角方向への引っ張りと、倣いプレート２１によるワークＷの持ち上げの技術についてはそのまま踏襲するとともに、ＵＶランプのランプ形状を工夫することで、照射距離をいっそう短縮化し且つ均一化を図っている。即ち、図２に示すように、光照射装置３０のＵＶランプ３１については、ＵＶ光が放たれる放射面３２を連続した滑らかな凹面形状に形成している。

ＵＶランプ３１の放射面３２を平面に形成した場合、ＵＶランプ３１の端部３１ｄにおけるワークＷの端部Ｗｄへの照射距離（端部照射距離）Ｌｄを短縮化しようとすると、ＵＶランプ３１の中央部３１ｃにおけるワークＷの中央部Ｗｃへの照射距離（中央部照射距離）Ｌｃが短くなりすぎる。ＵＶランプ３１の放射面３２を凹面形状に形成することにより、中央部照射距離Ｌｃを縮めることなく端部照射距離Ｌｄを短縮化することができる。また、端部照射距離Ｌｄを短縮化する構成とすることで、ＵＶランプ３１とワークＷとの干渉を回避しつつ接近・離間することができ、中央部照射距離Ｌｃと端部照射距離Ｌｄを共に同調させつつ更に短縮化することも可能になる。

ＵＶ放射面３２を凹形状にするに際して、放射面３２は、倣いプレート２１の凸面２２と相補的な形状の面とするのが好ましい。このように構成することで、ＵＶランプ３１の放射面３２とワークＷの照射面との間の照射距離Ｌはどこでも一定距離を保つことができて安定した姿勢で照射することができ、積算光量についても均一化することができる。この実施例によれば、設備コスト（ＵＶランプ３１を構成するランプ本数）及び設備スペースの５０％程度を削減することができる。

本発明による光照射装置の更に別の実施例が図３に示されている。図３に示す実施例についても、図１に示す実施例と比較してＵＶランプの構造が異なる以外に変更はない。したがって、図３には図１（ａ）に相当する側面断面図のみを示し、平面断面図については図１（ｂ）と同等であるので図示を省略する。また、図１（ａ）に示したものと変更がないものについては同じ符号を付すことで再度の説明を省略する。

本実施例において特徴的なことは、複数のＵＶ光源を使用して、端部側のＵＶ光源を中央部のＵＶ光源よりもセパレータ側に突出した位置に配置する構成としたことである。図３に示す光照射装置４０においては、ＵＶランプ４１は、一定の高さを有する中央部ランプ部４１ｃと、その周囲において、高さが次第に高くなる端部ランプ部４１ｄとから構成されている。端部ランプ部４１ｄは、高さが順次高くなる複数のＵＶランプ４３，４４，４５を中央部ランプ部４１ｃから四方の端部に向って順次並べて配置されている。

端部ランプ部４１ｄにおいて、ＵＶランプ４３，４４，４５の放射面４６から倣いプレート２１の凸面２２までの端部照射距離Ｌｄを、段階的ではあるが、一定に近い距離の範囲内となるように定めている。これによって、ＵＶランプ４１の構造が簡単になるとともに、図２に示す光照射装置３０と同様に、端部照射距離Ｌｄの短縮化、安定した姿勢でのＵＶ光の照射、積算光量の均一化等の作用・効果を期待することができる。図示の例では、端部ランプ部４１ｄを３本のＵＶランプ４３〜４５で構成しているが、本数については、これに限らず、適宜変更可能である。

図４には、本発明による光照射装置の他の実施例が示されている。図４に示す光照射装置は、図１に示す光照射装置と比較して、把持されたワークに対してＵＶ光源の反対側から押し付けられる凸面体の構造が異なる以外に変更はない。図４（ａ）は図４（ｂ）の面Ｃ−Ｃにおける側面断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の面Ｄ−Ｄにおける平面断面図である。なお、図１（ａ）に示したものと変更がないものについては同じ符号を付すことで再度の説明を省略する。

図４に示す光照射装置５０においては、凸面体は凸面５２を備えた支えプレート５１で構成されており、凸面５２は、略平坦な中央面部５２ａと、中央面部５２ａに対してその周囲に滑らかに連続して下降する傾斜面又は曲面に形成された周囲面部５２ｂとから形成されている。支えプレート５１が持ち上げられたとき、引っ張り矯正ユニット５５，５５によって端部が把持されたワークＷは、支えプレート５１の凸面５２と接触して上方に膨らむように張りが与えられる。図では、説明上、ワークＷと支えプレート５１の凸面５２との間に隙間が描かれているが、実際にはそのような隙間が形成されることはない。

支えプレート５１は、中央面部５２ａを平面に形成し、周囲面部５２ｂのみを滑らかに連続する傾斜面又は曲面に形成すればよく、安価に製作することができる。また、各引っ張り矯正ユニット５５は、ワークＷの端辺部Ｗｆに対応して設けられたチャック支持体５６と、チャック支持体５６の両サイドにそれぞれ設けられ、ワークＷの両角部Ｗｅ，Ｗｅをそれぞれ把持するチャック５７，５７を備えており、図４（ｂ）に示すように、ワークＷを対角方向に引っ張る。この構造によって、支えプレート５１の構造が簡単になるとともに、先の実施例と同様に、端部照射距離Ｌｄの短縮化、安定した姿勢でのＵＶ光の照射、積算光量の均一化等の作用・効果を期待することができる。

図５には、本発明による光照射装置の一比較例が示されている。図５（ａ）は図５（ｂ）の面Ｅ−Ｅにおける縦断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の面Ｆ−Ｆにおける横断面図である。なお、図１（ａ）に示したものと変更がないものについては同じ符号を付すことで再度の説明を省略する。図５に示す光照射装置６０は、ワークＷの上面を押さえ板６１によって押さえるという上面押さえ機構を用いて、ＵＶランプ１８によってワークＷにＵＶ照射を施している。押さえ板６１には中央部に窓６２が形成されており、窓６２を通してワークＷの電極面Ｓｅに必要なＵＶ光が照射される。

この例は、電極面ＳｅしかＵＶランプ照射する必要がないので、ワークＷの電極面Ｓｅ以外の面を押さえ板６１で押さえつけて水平な状態にしている。撓みや歪みを生じ易いワークＷの上面を押さえ板６１で押さえることで、ワークＷに撓みや歪みが発生するのを抑えようとするものであるが、窓６２を通した部分をＵＶ照射できるのみであるので、ワークＷの全面に照射することができないという課題がある。また、電極面とそれ以外を別々の押さえ板で押さえることにすると、ランプ本数が増えてスペースとコストが増加するという課題が残る。

図６には、本発明による光照射装置の別の比較例が示されている。図６（ａ）は、ワークの一例を示す斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すワークにＵＶ照射を行う光照射装置の縦断面図である。図６（ａ）に示すように、ワークＷは、自重によって撓むほど非常に撓み易い金属薄板である。そこで、図６（ｂ）に示すように、比較例である光照射装置７０では、ランプハウス７１内において、ワークＷの端部Ｗｅをチャックのような把持部７２の爪７３で把持した状態でワークＷを紙面に垂直な方向で示すワーク流れＧの方向に搬送し、ランプハウス７１内に配設されているＵＶランプ６８によって搬送中のワークＷの上面にＵＶ照射を行っている。図５に示すような押さえ板６１を使用しないので、把持部７２で把持する僅かな部分を除いて、ワークＷの全面にＵＶ光を照射することができる。しかしながら、反りが大きい状態でワークＷにＵＶ光を照射すると、照射距離Ｌｃが長くなるところが生じ、積算光量が低下する。このため、ランプ本数が増加し、設備コストが高くなるという課題が依然として残る。

以上、本発明に係る光照射装置の実施例について説明したが、光照射装置の実施は、これらの例に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて、適宜の変更をなし得ることは明らかである。

１光照射装置
２引っ張り矯正ユニット
３ユニット本体
４付勢部材
５スライダ
６チャック支持体
７チャック
１１第１スプリング手段
１２第２スプリング手段
１３スプリング受け
１４第１スプリング
１５スプリング受け
１６第２スプリング
１７装置上フレーム
１８ＵＶランプ
２１倣いプレート（凸面体）
２２凸面
３０光照射装置
３１ＵＶランプ
３１ｄＵＶランプ３１の端部
３１ｃＵＶランプ３１の中央部
３２放射面
４０光照射装置
４１ＵＶランプ
４１ｃ中央部ランプ部
４１ｄ端部ランプ部
４２中央部ランプ部４１ｃの放射面
４３，４４，４５ＵＶランプ
４６端部ランプ部の放射面
５０光照射装置
５１支えプレート
５２凸面
５２ａ凸面５２の中央面部
５２ｂ凸面５２の周囲面部
５５引っ張り矯正ユニット
５６チャック支持体
５７チャック爪
Ｗワーク（セパレータ）
ＷｅワークＷの角部
Ｌｄ端部照射距離
ＷｃワークＷの中央部
Ｌｃ中央部照射距離
Ｓｅ電極面
Ｇワーク流れ

Claims

燃料電池用のセパレータを把持する把持部と、
把持された前記セパレータに対してＵＶ光を照射することによって前記セパレータ表面に設けられた接着シートのシール性を向上させることが可能なＵＶ光源と、
把持された前記セパレータに対して前記ＵＶ光源の反対側から押し付けられる凸面体と、を備えていることを特徴とする光照射装置。