JP7020284B2 - 接合用冶具 - Google Patents

Description

本発明は、接合用冶具に関し、特に、セパレータで挟持されたガス拡散層またはガス拡散層を含む燃料電池構成部材に対して前記セパレータとの接合用の接着シートを接合するときに用いる接合用冶具に関する。

燃料電池は、環境保全の観点からも有効であり、広く使用されるようになっている。燃料電池は、燃料電池セルを多層に積層して構成されるスタックを備える。燃料電池セルは、通常、膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータとを備えている。前記スタックの積層方向の両端には、膜電極ガス拡散層接合体を含まない（発電しない）拡散層のみからなるダミーのセルが配置されることもある。

膜電極ガス拡散層接合体は、膜電極接合体のアノード側の表面に接合されたアノード側ガス拡散層と膜電極接合体のカソード側の表面に接合されたカソード側ガス拡散層とを備えている。膜電極接合体は、電解質膜の両面にアノード触媒層およびカソード触媒層を接合してなる。電解質膜として、プロトン伝導性を有する固体高分子膜が、また、アノード側ガス拡散層、カソード側ガス拡散層としてはカーボンクロス、カーボンペーパー等の導電性およびガス透過性を有する部材が用いられる。

膜電極ガス拡散層接合体に対して一対のセパレータを接合する目的で、膜電極ガス拡散層接合体の一方の面の周辺近傍にセパレータとの接合用の接着シートを接着接合し、その接着シートを利用して、セパレータを接合することが行われている。前記したダミーセルに対しても、同様にしてセパレータとの接合用の接着シートが接着接合される。

ガス拡散層の素材としては、カーボンクロスやカーボンペーパー等が一般に用いられる。カーボンクロスやカーボンペーパーは、多孔質カーボン繊維からなるため、表面にカーボン繊維の毛羽立ちが発生し易い。また、実作業においては、カーボンクロスやカーボンペーパー等の大きなシートから、ガス拡散層としての所要の大きさに裁断されるが、裁断時に、周囲の切断部に繊維の毛羽が生じるのを避けられない。

このような毛羽は、膜電極接合体にガス拡散層を積層するときに、電極触媒層を介して固体高分子電解質膜に突き刺さり、反応ガスのクロスリークや電極間でのマイクロショートが発生する恐れある。それを回避するために、特許文献１には、カーボンペーパーを、一対の弾性ロール間に圧入することによって、表面の毛羽を除去するようにし、毛羽が除去されたカーボンペーパーからガス拡散層を形成し、それを固体高分子電解質膜および触媒層と一体化する技術が記載されている。

特開２０１６－１４３４６８号公報

特許文献１に記載される方法により、カーボンペーパーの表面から毛羽を除去することが可能となり、固体高分子電解質膜にダメージを与えないガス拡散層を入手できることが期待される。しかし、面積の大きなシートを一対の弾性ロール間に圧入して処理する場合には、処理後のシートからガス拡散層としての所要の大きさに裁断する作業が必要となり、その裁断時に、裁断されたガス拡散層の周囲に毛羽が生じるのを避けられない。所要の大きさに裁断した後のカーボンクロスやカーボンペーパーを一対の弾性ロール間に圧入する処理を行うことで、表面および周囲部に存在する毛羽を除去することが可能であるが、ガス拡散層の１枚１枚に対してこのような処理を行うことは、手間の要することであり、結果として、燃料電池セルの製造に要する時間が長くなるのを避けられない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルの製造に要する時間の長期化を招くことなく、所望の大きさに裁断された毛羽の無い状態のガス拡散層を得ることを課題とし、より具体的には、セパレータで挟持されたガス拡散層またはガス拡散層を含む燃料電池構成部材に対してセパレータとの接合用の接着シートを接合するときに用いる接合用冶具であって、接合処理の過程で、前記毛羽を除去することができ、それにより処理の迅速かつ簡素化を可能とした接合用冶具を得ることを課題とする。

本発明による接合用冶具は、セパレータで挟持されたガス拡散層またはガス拡散層を含む燃料電池構成部材に対して前記セパレータとの接合用の接着シートを接合するときに用いる接合用冶具であって、前記接合用冶具は接合時に前記ガス拡散層が面することとなる載置領域を有し、前記載置領域の少なくとも周縁部には外部に連通する複数個の連通孔が形成されており、前記連通孔は吸引装置に接続していることを特徴とする。

上記の接合用冶具の一態様では、前記載置領域には適数本の凹溝が形成されており、該凹溝の底面に開口するようにして前記連通孔が形成されていることを特徴とする。

本発明による接合用冶具を用いることにより、ガス拡散層またはガス拡散層を含む燃料電池構成部材に対して、セパレータとの接合用の接着シートを接合する作業の過程で、ガス拡散層に存在する毛羽を除去することが可能となり、処理の短縮化が図られる。

接合用冶具の一実施の形態を説明する図。 接合用冶具を用いてセパレータに対する接着シートと一体化したガス拡散層を製造する工程を説明する第１の図。 同工程を説明する第２の図。 同工程を説明する第３の図。 製造後の接着シートと一体化したガス拡散層を説明する図。 接着シートと一体化したガス拡散層を用いて製造されたダミーセルの一態様を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施の形態を説明する。図１は、接合用冶具の一実施の形態であり、図１（ａ）は上方から見た斜視図を、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。

接合用冶具１０は、全体として平面視で矩形状であり、互いに平行な上面１１と下面１２とを備える。少なくとも上面１１は平坦面である。上面１１側から下面１２側に向けて凹陥する深さｈである平面視矩形状の凹所１３が形成されている。凹所１３の底面１４は、上面１１に平行な平坦面である。なお、深さｈは、後記する処理すべきガス拡散層３０の厚みとほぼ同じとされる。凹所１３から立ち上がる周囲壁１５は垂直壁ではなく、底面１４から上面１１に向けて拡開する拡開壁となっている。この凹所１３が、本発明でいう「接合時にガス拡散層が面することとなる載置領域」に相当する。接合用冶具１０は、アルミニウムや樹脂のような加工しやすい材料で作られる。

底面１４には、適数本（図示の例では５本）の凹溝１６が形成されている。凹溝１６の一部は、底面１４と周囲壁１５との交差部に沿って形成される。図示のものでは、対向する２辺の交差部に凹溝１６を形成しているが、４辺の交差部のすべてに凹溝１６を形成することは、より好ましい。また、図示のものでは、複数本の凹溝１６は、同じ方向にかつ互いに平行に形成されているが、互いに交差するようにして適数本の凹溝１６を形成することもできる。

形成した凹溝１６の底部には接合用冶具１０の下面１２に達する適数個の貫通孔１７が形成されている。各貫通孔１７は、配管１８を介して吸引ポンプ１９に接続している。吸引ポンプ１９が本発明でいう「吸引装置」に相当する。配管１８には適宜のフィルタ２０が取り付けてある。なお、凹溝１７は省略可能であり、その場合には、貫通孔１７の先端は凹所１３の底面に直接開口することとなる。このときに、貫通孔１７の開口部はラッパ状に拡開していることが好ましい。

必須ではないが、図示の形態では、接合用冶具１０の上面１１に、適数の位置決めピン用の孔２１が形成されている。

上記の接合用冶具１０の使用態様を説明する。なお、以下の使用態様では、膜電極接合体を備えないダミーセルを製造するときに用いられるガス拡散層に対して接着シートを接合する場合を例とする。しかし、接合用冶具１０は、膜電極接合体を備える膜電極ガス拡散層接合体を製造するときに用いられるガス拡散層に対して接着シートを接合する場合にも用いることができる。

好ましくは、使用に先立って吸引ポンプ１９を作動して、凹所１３内の清掃を行う。それにより、底面１４や凹溝１７内に残存しているカーボンクロスやカーボンペーパーから出た毛羽等の異物は、事前に除去される。

一方において、カーボンクロスやカーボンペーパーの大きなシートから、所要の寸法、すなわち、製造しようとするダミーセルで使用される寸法のガス拡散層３０を裁断する。そして、吸引ポンプ１９を停止した状態で、裁断したガス拡散層３０を接合用冶具１０に設けた凹所１３内に設置する。その状態が、図２に示される。なお、図２（ａ）は上方から見た斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。

図示のように、凹所１３の底面１４の大きさと、裁断したガス拡散層３０の大きさはほぼ同じであり、裁断したガス拡散層３０を凹所１３内に落とし込むことで、ガス拡散層３０の位置決めもなされる。

通常、燃料電池で使用されるガス拡散層は矩形状であり、したがって、図１に示した実施の形態での接合用冶具１０において、前記凹所１３は平面視矩形状である。実際に使用するガス拡散層の平面視形状が矩形状でない場合には、凹所１３、すなわち、載置領域の平面視矩形状は、当該ガス拡散層の平面視形状に合わせた形状とされる。

次に、凹所１３内にガス拡散層３０を収容した接合用冶具１０の上面１１側に、ガス拡散層３０と一体に接合すべき接着シート４０を配置する。接着シート４０は、ガス拡散層３０に対してセパレータを接合してダミーセルとするときに、ガス拡散層３０とセパレータを接合するのに用いられる。

図３は、接着シート４０を接合用冶具１０の上面１１側に配置した状態を示している。なお、図３（ａ）は上方から見た斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。接着シート４０は、ガス拡散層３０の平面視形状の寸法より少し小さい寸法の開口部４１を有しており、その外寸法は、ガス拡散層３０の平面視形状の寸法より大きい。接着シート４０を配置した後、前記した位置決めピン用の孔２１を利用して位置決めピン２２を差し込み、接着シート４０を位置決めする。

図３に示した状態とした後に、適切な接合手段、例えば超音波溶着手段によって、ガス拡散層３０の上面側に接着シート４０を溶着一体化する。その状態が図４に示される。なお、図４（ａ）は上方から見た斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。接合は、図４に示すようなポイント接合４２であってもよく、線接合、面接合であってもよい。

接合処理と並行して、あるいは接合処理の前後に、吸引ポンプ１９を作動させる。吸引ポンプ１９の作動により、凹所１３の底面１４および周囲壁１５と、凹所１３内に収容したガス拡散層３０との接触界面には、真空引きが進行する。その吸引力によって、ガス拡散層３０の底面や周縁部に存在している毛羽等の異物は、配管１８内に引き込まれていき、ガス拡散層３０の底面や周縁部は、毛羽等の異物が存在しない、綺麗な面となる。吸引された毛羽等の異物はフィルタ２０によって除去され、吸引ポンプ１９の作動には影響を及ぼさない。

所要時間の吸引処理を行った後、吸引ポンプ１９を停止し、接合用冶具１０から、接着シート４０とガス拡散層３０とが一体となった接合物５０を取り出す。取り出しに当たっては、配管１８を利用して清浄な空気を凹所１３内に送出するような手法を採用することもできる。図５は取り出した接合物５０を示しており、図５（ａ）は上方から見た斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。

図６は、前記した接合物５０を用いて製造したダミーセル１００の一態様を示す断面図である。ダミーセル１００の製造に当たっては、前記のようにして製造した接合物５０における接着シート４０の前記開口部４１内に、もう一枚のガス拡散層３１を配置して一体に接合する。なお、図６の４２は接合部である。好ましくは、ガス拡散層３１に対しても、適宜の手段により、毛羽を取り除く処理を施しておく。そして、その両面を一対のセパレータ６０、６１で挟持することで、ダミーセル１００とされる。接合用冶具１０を用いることで、ガス拡散層３０と接着シート４０との接合処理と、前記したガス拡散層３０からの毛羽等の異物処理とを同時に行うことができるので、処理効率は向上する。

なお、本実施の形態において、接着シート４０の材料としては、ポリプロピレン（ＰＰ）のような材料を例示できる。また、接着シート４０は単層構成であってもよく、図６に示すように、ポリプロピレン４３、４３の間に二軸延伸ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）のフィルム４４を挟持した積層構成であってもよい。

前記したように、ダミーセルではなく、発電可能な膜電極接合体を有する燃料電池セルを製造する場合にも、本実施の形態の接合用冶具１０を使用することができる。その場合には、一方のガス拡散層３０の一面に膜電極接合体を積層した積層体を用意する。そして、その積層体を、ガス拡散層３０側が接合用冶具１０の凹所１３（「載置領域」）の底面１４側となるようにして、接合用冶具１０内に配置する。配置後に、前記した接着シート４０を、ダミーセルの場合と同様にして、前記積層体の上に配置し、適宜の手段により前記積層体と接着シート４０とを一体に接着接合する。そして、その両面を一対のセパレータ６０、６１で挟持することで、燃料電池セルとされる。

１０…接合用冶具、
１３…凹所（ガス拡散層を載置する載置領域）、
１４…凹所の底面、
１５…凹所の周囲壁、
１６…凹溝、
１７…貫通孔、
１８…配管、
１９…吸引ポンプ（吸引装置）、
３０…ガス拡散層、
４０…接着シート（ガス拡散層に対して接合する他の部材）、
４１…接着シートの開口部、
４２…接合部、
５０…接着シートとガス拡散層とが一体となった接合物、
６０、６１…セパレータ、
１００…ダミーセル。

Claims (1)

1. セパレータで挟持されたガス拡散層またはガス拡散層を含む燃料電池構成部材に対して前記セパレータとの接合用の接着シートを接合するときに用いる接合用冶具であって、
   前記接合用冶具は接合時に前記ガス拡散層が面することとなる載置領域を有し、前記載置領域の少なくとも周縁部には外部に連通する複数個の連通孔が形成されており、前記連通孔は吸引装置に接続しており、
   前記載置領域には適数本の凹溝が形成されており、該凹溝の底面に開口するようにして前記連通孔が形成されていることを特徴とする接合用冶具。

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