KR101845599B1 - 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법 및 제조 장치 Download PDF

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Abstract

연료 전지용 전극 프레임 어셈블리를 제조할 때의 위치 어긋남을 억제한다. 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법은, (a) 프레임과 확산층을 겹쳐 배치하는 공정과, (b) 상기 확산층과 상기 프레임을 겹친 상태에서 펀칭함으로써, 펀칭된 상기 확산층과 정합하는 형상을 갖는 개구부를 상기 프레임에 형성하는 공정을 구비한다.

Description

연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법 및 제조 장치 {MANUFACTURING METHOD AND MANUFACTURING APPARATUS OF ELECTRODE FRAME ASSEMBLY FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 막전극 접합체와 그것을 사용한 연료 전지 및 그들의 제조 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 1의 방법에서는, 띠 형상의 전해질막 상에 소정의 간격을 두고 전극 촉매층을 형성하고, 전극 촉매층 상에 전극 촉매층보다도 작은 확산층(GDL)을 배치하고, 프레임의 개구부에 확산층이 끼워 넣어지도록, 개구부를 갖는 프레임을 겹쳐 막전극 접합체를 제조하고 있었다.
일본 특허 공개 제2005-129343호 공보
전해질막에 프레임을 겹칠 때에, 프레임이 확산층에 겹치지 않고, 프레임의 개구부 중에 확산층이 확실하게 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 확산층의 펀칭 치수 공차나, 확산층의 배치 공차 및 프레임의 성형 또는 펀칭 공차, 프레임의 배치 공차를 고려할 필요가 있고, 그 결과 특허문헌 1의 방법에서는, 프레임의 개구부 중에 확산층이 확실하게 배치되도록 하기 위해, 프레임의 개구부의 사이즈(면적)를 확산층의 사이즈(면적)보다도 상당히 크게 형성하고 있었다. 그로 인해, 프레임의 개구부의 테두리와 확산층 사이에 큰 간극이 발생하는 경우가 있었다. 구체적으로는, 확산층과 프레임의 끼워 맞춤에 관련되는 공차를 고려하면, 프레임과 확산층의 간극은 2㎜ 정도까지 확장되어 버릴 가능성이 있다. 이와 같은 큰 간극이 발생하면, 프레임과 확산층의 간극에 있어서 전해질막이 팽윤·수축에 의해 이동해 버려, 전해질막이 손상되는 문제가 발생하는 원인으로 되는 경우가 있었다.
이 결과, 종래는, 이하와 같은 과제가 발생하고 있었다. 첫째로, 프레임과 확산층 사이의 간극을 크게 취하기 때문에, 프레임을 포함하는 연료 전지 셀 전체의 사이즈(면적)가 발전 영역(전극 촉매층)의 사이즈(면적)에 비해 상당히 크게 되어 버리고 있었다. 이로 인해, 셀 사이즈가 커져, 고비용의 원인으로 되어 있었다. 둘째로, 프레임과 확산층의 간극이 접착제로 완전히 매립되지 않고 남아 버린 경우에, 전해질막(및 촉매 전극층)이 간극으로부터 노출되어 버리므로, 셀 성능이 조기에 열화되어 버릴 가능성이 있었다.
본 발명은 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로 하여 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법이 제공된다. 이 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법은, (a) 프레임과 확산층을 겹쳐 배치하는 공정과, (b) 상기 확산층과 상기 프레임을 겹친 상태에서 펀칭함으로써, 펀칭된 상기 확산층과 정합하는 형상을 갖는 개구부를 상기 프레임에 형성하는 공정을 구비한다. 이 형태에 의하면, 펀칭된 확산층과, 프레임의 개구부의 형상이 정합되기 때문에, 확산층의 배치 공차나 프레임의 배치 공차를 거의 제로로 하는 것이 가능하고, 이 결과, 연료 전지 셀의 콤팩트화를 실현할 수 있다.
(2) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (b)에 있어서의 펀칭 시 또는 펀칭 후에, 상기 펀칭된 확산층과 상기 프레임의 폭 방향 및 길이 방향의 위치를 각각 유지한 채, 상기 프레임의 상기 개구부에, 상기 펀칭된 확산층을 끼워 넣는 공정을 구비해도 된다. 이 형태에 의하면, 펀칭된 확산층과 프레임의 폭 방향 및 길이 방향의 위치를 유지한 채 확산층과 프레임을 조합하므로, 확산층의 배치 공차나 프레임의 배치 공차를 고려하는 일 없이 확산층과 프레임을 조합하는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 연료 전지 셀의 콤팩트화를 실현할 수 있음과 함께, 제조 공정의 간략화를 실현할 수 있다.
(3) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 펀칭의 형상은 대략 직사각형이며, 상기 대략 직사각형의 변 또는 코너 중 적어도 1개소에 끼워 맞춤 형상을 더 가져도 된다. 이 형태에 의하면, 반송 시에 프레임과 확산층의 양자를 서로 이탈하기 어렵게 할 수 있다. 이 결과, 제조 공정을 간략화하는 것이 가능하다.
(4) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 끼워 맞춤 형상은, 상기 펀칭된 확산층에 있어서 상기 대략 직사각형의 외측 테두리측이 볼록해지는 형상이며, 또한, 상기 대략 직사각형의 변 중 상기 프레임의 반송 방향과 평행한 변, 또는, 상기 대략 직사각형의 코너에 형성되어 있어도 된다. 이 형태에 의하면, 반송 시에 프레임과 확산층의 양자를 더욱 이탈하기 어렵게 할 수 있다.
(5) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 펀칭된 확산층에 있어서의 상기 끼워 맞춤 형상은, 상기 반송 방향에 대해 후퇴각을 갖는 후퇴각 부분을 갖고 있어도 된다. 이 형태에 의하면, 반송 시에 프레임과 확산층의 양자를 더욱 이탈하기 어렵게 할 수 있다.
(6) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (b)에 있어서 상기 확산층과 상기 프레임을 겹친 상태에서 펀칭할 때에, 상기 펀칭된 확산층의 상기 프레임측의 크기가, 상기 펀칭된 확산층의 상기 프레임과 반대측의 크기보다도 작아지도록, 상기 확산층측으로부터 상기 법선 방향에 대해 비스듬히 펀칭해도 된다. 이 형태에 의하면, 펀칭된 확산층은, 프레임측이 작고, 프레임과 반대측이 커진다. 한편, 펀칭된 프레임(틀)은 확산층측이 크고, 확산층과 반대측이 작아지므로, 펀칭된 확산층을 펀칭된 프레임으로 지지하기 쉽게 할 수 있다.
(7) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 확산층은, 카본 페이퍼로 형성되어 있어도 된다. 이 형태에 의하면, 확산층이 카본 페이퍼로 형성되어 있으므로, 견고성이 있고, 프레임으로부터 이탈하기 어렵게 할 수 있다.
(8) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 프레임은, 투명한 수지로 형성되어 있어도 된다. 이 형태에 의하면, 프레임이 투명한 수지로 형성되어 있으므로, 프레임측에서 시인함으로써, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리와, 다른 부재, 예를 들어 촉매층 접합 전해질막의 위치 정렬이 용이하게 된다.
(9) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치가 제공된다. 이 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치는, 확산층의 시트가 권취된 제1 롤러와, 프레임의 시트가 권취된 제2 롤러와, 상기 확산층의 시트와 상기 프레임의 시트를 반송하는 반송 장치와, 상기 확산층의 시트와 상기 프레임의 시트를 겹친 상태에서 동시에 펀칭함으로써, 펀칭된 상기 확산층과 정합하는 형상을 갖는 개구부를 상기 프레임에 형성하는 펀칭 장치를 구비한다. 이 형태에 의하면, 펀칭된 확산층과, 프레임의 개구부의 형상이 정합되기 때문에, 확산층의 배치 공차나 프레임의 배치 공차를 거의 제로로 하는 것이 가능하고, 이 결과, 연료 전지 셀의 콤팩트화를 실현할 수 있다.
(10) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치에 있어서, 상기 펀칭 장치는, 상기 펀칭을 행하기 위한 날과, 상기 펀칭 이후에 상기 날을 후퇴시킬 때에 상기 펀칭된 확산층을 눌러 상기 프레임의 상기 개구부에 끼워 넣기 위한 누름 부재를 구비해도 된다. 이 형태에 의하면, 펀칭한 확산층과, 펀칭된 프레임의, 폭 방향 및 길이 방향의 위치를 고정한 채 확산층과 프레임을 조합하는 것이 가능하게 되고, 확산층과 프레임의 위치 어긋남을 억제할 수 있다.
(11) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치에 있어서, 상기 펀칭의 형상은 대략 직사각형이며, 상기 대략 직사각형의 변 또는 코너 중 적어도 1개소에 끼워 맞춤 형상을 더 갖고 있어도 된다. 이 형태에 의하면, 반송 시에 프레임과 확산층의 양자를 서로 이탈하기 어렵게 할 수 있다. 이 결과, 제조 공정을 간략화하는 것이 가능하다.
(12) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치에 있어서, 상기 끼워 맞춤 형상은, 상기 펀칭된 확산층에 있어서 상기 대략 직사각형의 외측 테두리측이 볼록해지는 형상이며, 또한, 상기 대략 직사각형의 변 중 상기 프레임의 반송 방향과 평행한 변, 또는, 상기 대략 직사각형의 코너에 형성되어 있어도 된다. 이 형태에 의하면, 반송 시에 프레임과 확산층의 양자를 더욱 이탈하기 어렵게 할 수 있다.
(13) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치에 있어서, 상기 펀칭된 확산층에 있어서의 상기 끼워 맞춤 형상은, 상기 반송 방향에 대해 후퇴각을 갖는 후퇴각 부분을 갖고 있어도 된다. 이 형태에 의하면, 반송 시에 프레임으로부터 확산층을 이탈하기 어렵게 할 수 있다.
(14) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치에 있어서, 상기 펀칭의 형상은 직사각형이며, 상기 직사각형의 대향하는 2개의 변을 펀칭하는 날은, 상기 확산층의 시트와 상기 프레임의 시트를 펀칭할 때에, 상기 펀칭된 확산층의 상기 프레임측의 크기가, 상기 펀칭된 확산층의 상기 프레임과 반대측의 크기보다도 작아지도록, 상기 확산층측으로부터 상기 확산층의 법선 방향에 대해 비스듬히 펀칭해도 된다. 이 형태에 의하면, 펀칭된 확산층은, 프레임측이 작고, 프레임과 반대측이 커진다. 한편, 펀칭된 프레임(틀)은 확산층측이 크고, 확산층과 반대측이 작아지므로, 펀칭된 확산층을 펀칭된 프레임으로 지지하기 쉽게 할 수 있다.
(15) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치에 있어서, 상기 확산층은, 카본 페이퍼로 형성되어 있어도 된다. 이 형태에 의하면, 확산층이 카본 페이퍼로 형성되어 있으므로, 견고성이 있고, 프레임으로부터 이탈하기 어렵게 할 수 있다.
(16) 상기 형태의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치에 있어서, 상기 프레임은, 투명한 수지로 형성되어 있어도 된다. 이 형태에 의하면, 프레임이 투명한 수지로 형성되어 있으므로, 프레임측에서 시인함으로써, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리와, 다른 부재, 예를 들어 촉매층 접합 전해질막의 위치 정렬이 용이하게 된다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법, 제조 장치 외에, 연료 전지의 제조 방법 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 연료 전지 스택의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 공정을 설명하는 설명도이다.
도 3은 종래의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 공정을 도시하는 설명도이다.
도 4는 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치의 일부를 도시하는 설명도이다.
도 5는 펀칭 장치의 내부 구성과 동작을 도시하는 설명도이다.
도 6은 캐소드측 확산층이 끼워 넣어진 프레임 시트와 애노드측 부재의 부착 장치 및 공정을 도시하는 설명도이다.
도 7은 프레임과 MEA의 형상의 변형을 도시하는 설명도이다.
도 8은 제2 실시 형태의 프레임 시트와 캐소드측 확산층을 도시하는 설명도이다.
도 9는 끼워 맞춤 형상을 갖는 경우의 효과를 도시하는 설명도이다.
도 10은 끼워 맞춤 형상의 변형예를 도시하는 설명도이다.
도 11은 제3 실시 형태를 도시하는 설명도이다.
도 12는 제3 실시 형태에 있어서의 캐소드측 확산층의 펀칭 공정을 도시하는 설명도이다.
도 13은 제4 실시 형태를 도시하는 설명도이다.
도 14는 제5 실시 형태를 도시하는 설명도이다.
도 15는 제5 실시 형태의 펀칭 장치 내부 구성과 동작을 도시하는 설명도이다.
제1 실시 형태:
도 1은 연료 전지 스택(10)의 개략 구성을 도시하는 단면도이다. 연료 전지 스택(10)은 복수의 발전 유닛(100)이 직렬로 배치되는 구성을 갖고 있다. 발전 유닛(100)은 촉매층 접합 전해질막(110)[Catalyst Coated Membrane, 이하 「CCM(110)」이라고 칭함]과, 캐소드측 확산층(120)과, 애노드측 확산층(130)과, 보강용의 프레임(140)과, 세퍼레이터 플레이트(150, 160)를 구비한다. CCM(110)은, 프로톤 전도성의 전해질막과, 전해질막의 양면에 각각 도포 시공된 캐소드측 촉매층과 애노드측 촉매층을 구비하고 있다. 일 실시 형태에서는, 애노드측 촉매층은 전해질막의 제1 면의 전체 영역에 걸쳐 도포 시공되고, 한편, 캐소드측 촉매층은 전해질막의 제2 면 중 일부의 직사각형 영역(발전 영역)에만 도포 시공되어 있다. 이 이유는, 애노드측 촉매층은, 캐소드측 촉매층에 비해 단위 면적당의 촉매량이 적어도 되기 때문에(전형적으로는 1/2 이하이고, 예를 들어 약 1/3), 전해질막의 제1 면의 전체 영역에 촉매를 도포 시공해도 과도한 낭비로 되지는 않는 반면, 도포 시공 공정이 간단해지기 때문이다. 반대로, 캐소드측 촉매층은, 애노드측 촉매층에 비해 단위 면적당의 촉매량이 많으므로, 일부의 작은 영역에만 도포 시공함으로써 낭비되는 촉매를 저감시킬 수 있기 때문이다.
캐소드측 확산층(120)과, 애노드측 확산층(130)은, 예를 들어 카본 페이퍼나 카본 부직포로 형성되어 있다. 또한, 캐소드측 확산층(120)은 후술하는 바와 같이 제조 공정에 있어서 프레임(140)의 개구부에 끼워 넣어져 프레임(140)과 함께 반송되므로, 반송 중에 개구부로부터 떨어지기 어렵도록, 견고성이 있는 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 이 관점에서는, 캐소드측 확산층(120)은 카본 부직포보다도 카본 페이퍼로 형성하는 것이 바람직하다. CCM(110)과, 캐소드측 확산층(120)과, 애노드측 확산층(130)을 합하여, 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly) 또는 막전극 확산층 접합체(Membrane Electrode Gas-difusion-layer Assembly)라고 칭한다. 이하 막전극 접합체 또는 막전극 확산층 접합체를 「MEA」라고 칭한다. 프레임(140)은 폴리프로필렌 등의 자외선을 투과할 수 있는 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 특히 투명한 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. MEA와 프레임(140)을 합하여 「연료 전지용 전극 프레임 어셈블리」라고 칭한다.
CCM(110)의 한쪽 면에 캐소드측 확산층(120)이 배치되고, CCM(110)의 다른 쪽 면에 애노드측 확산층(130)이 배치된다. 본 실시 형태에서는, 애노드측 확산층(130)의 크기는, CCM(110)의 전해질막의 크기와 거의 동일한 크기로 형성되어 있다. 한편, 캐소드측 확산층(120)의 크기는, CCM(110)의 전해질막 및 애노드측 확산층(130)의 크기보다도 작게 형성되어 있다. 또한, 캐소드측 확산층(120)은 캐소드측 촉매층보다도 작은 형상으로 형성되어 있고, 캐소드측 촉매층의 영역 내에 캐소드측 확산층(120)이 들어가도록 배치되어 있다. 이 이유는, 캐소드측 확산층(120)이 카본 페이퍼로 형성되어 있는 경우에, 캐소드측 확산층(120)의 단부가, 촉매층이 존재하지 않는 전해질막의 위치에 오면, 카본 페이퍼의 섬유가 전해질막을 찔러, 전해질막의 손상이나 크로스 누설의 원인으로 될 가능성이 있기 때문이다.
프레임(140)은 보강용의 판 형상 부재이며, CCM(110)과, 캐소드측 확산층(120)과, 애노드측 확산층(130)의 외측 테두리의 전체 둘레를 둘러싸도록 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 프레임(140)은 CCM(110)의 한쪽 면 중에서 캐소드측 확산층(120)으로부터 돌출되어 있는 부분에 접착되어 있다. 또한, CCM(110)의 전체 영역 중에서 프레임(140)과 접착되어 있는 영역은, 반응 가스가 확산되지 않고 발전에 기여하지 않기 때문에, 캐소드측 촉매층이 형성되어 있지 않아도 된다. 즉, 프레임(140)과, CCM(110)의 전해질막이 접착되어 있어도 된다. 이에 의해, 접착 부분에 있어서, 귀금속인 촉매 금속의 사용량을 저감시킬 수 있다. 단, 전술한 바와 같이, 캐소드측 확산층(120)이 카본 페이퍼로 형성되어 있는 경우에는, 카본 페이퍼의 섬유가 전해질막을 찌르는 것을 방지하기 때문에, 캐소드측 촉매층의 영역을 캐소드측 확산층(120)보다도 약간 크게 형성해도 된다.
세퍼레이터 플레이트(150, 160)는, 요철을 갖는 금속제의 판 형상 부재이다. 세퍼레이터 플레이트(150)와, 캐소드측 확산층(120) 사이에는, 산소 유로(155)가 형성되고, 세퍼레이터 플레이트(160)와, 애노드측 확산층(130) 사이에는, 수소 유로(165)가 형성되고, 세퍼레이터 플레이트(150)와, 세퍼레이터 플레이트(160) 사이에는, 냉매 유로(175)가 형성되어 있다.
도 2는 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리(180)의 제조 공정을 설명하는 설명도이다. 우선, 후술하는 종래의 제조 공정과의 차이를 먼저 간단하게 설명한다. 종래의 제조 공정에서는, 먼저 확산층이 구비된 MEA를 형성하고, 그 후, 프레임(140)의 개구부 내에 MEA의 캐소드측 확산층이 끼워지도록 프레임(140)을 MEA 상에 배치하여 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리(180)를 제조하고 있었다. 이에 대해, 본 실시 형태에서는, 먼저, 프레임(140)의 시트재[「프레임 시트(140s)」라고 칭함]와 캐소드측 확산층(120)의 시트재[「캐소드측 확산층 시트(120s)」라고 칭함]를 겹친 상태에서 동시에 펀칭함으로써, 프레임(140)에 캐소드측 확산층(120)이 끼워 넣어진 프레임/확산층 집합체를 형성하고, 그 후, 이 프레임/확산층 집합체와, CCM(110)이 부착된 애노드측 확산층(130)을 부착하여 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리(180)를 제조한다.
도 2의 (A)에서는, 프레임 시트(140s)에 캐소드측 확산층 시트(120s)를 겹친다. 프레임 시트(140s)와, 캐소드측 확산층 시트(120s)는 모두 개구부가 형성되어 있지 않은 시트 형상이다. 또한, 이 예에서는, 프레임 시트(140s)는 애노드측 확산층 시트(130s)와 겹치는 영역에 있어서 얇게 형성되어 있다.
도 2의 (B)에서는, 부재를 대략 직사각형으로 펀칭하는 톰슨 칼(또는, 조각 날, 피나클 칼)(200)[이하 「칼(200)」이라고도 칭함]을 캐소드측 확산층 시트(120s)측으로부터 삽입하여 캐소드측 확산층 시트(120s)와 프레임 시트(140s)를 펀칭한다. 칼(200)의 이동 방향은, 캐소드측 확산층 시트(120s)의 법선 NL과 평행하다. 이때, 펀칭한 대략 직사각형의 부재를 캐소드측 확산층(120) 및 프레임 잔량부(140a)라고 칭하고, 대략 직사각형의 부재가 펀칭된 프레임측의 부재를 캐소드측 확산층 잔량부(120b) 및 프레임(140)이라고 칭한다. 칼(200)이 삽입되면, 캐소드측 확산층(120)과 프레임(140)은, 칼(200)로부터 압축 응력을 받는다.
도 2의 (C)에 도시하는 상태에서는, 상면에 있어서 캐소드측 확산층(120)이 프레임(140)과 거의 동일한 높이로 될 때까지 칼(200)을 압입한 후, 이 동일한 높이의 상태를 유지하면서 칼(200)을 뺀다. 칼(200)을 뺌으로써, 칼(200)의 사이에 끼여 있었던 프레임 잔량부(140a)는 낙하하고, 캐소드측 확산층(120)은 폭 방향 및 길이 방향의 위치를 각각 유지한 채, 프레임(140)에 끼워 넣어진다. 또한, 캐소드측 확산층(120)은 프레임(140)의 개구부와 정합하고 있다.
도 2의 (D)는 프레임(140)에 캐소드측 확산층(120)이 끼워 넣어진 상태를 도시하고 있다. 이 상태에서는, 캐소드측 확산층(120)과 프레임(140)의 사이에는, 서로 압축하는 방향의 응력이 작용하고, 캐소드측 확산층(120)은 프레임(140)에 보유 지지된 상태로 된다. 특히, 캐소드측 확산층(120)이 카본 페이퍼와 같이 어느 정도의 강성을 갖는 부재로 형성되어 있으면, 이 보유 지지 상태(끼워 넣기 상태)가 보다 견고해지는 점에서 바람직하다. 도 2의 (D)와 같이, 프레임(140)에 캐소드측 확산층(120)이 보유 지지된 물체를, 「프레임/확산층 집합체(400)」라고도 칭한다.
도 2의 (E)에서는, 프레임/확산층 집합체(400)를 접착제(190)로 CCM(110)에 접착한다. 이 CCM(110)은, 그 한쪽 면(하면)에 애노드측 확산층(130)이 접합되어 있음과 함께, CCM(110)의 다른 쪽 면(상면)의 외측 테두리부에 접착제(190)가 도포된 것이다. 접착제(190)로서 자외선에 의해 경화되는 접착제를 사용해도 된다. 프레임(140)을 자외선 투과성의 부재로 형성해 두면, 프레임(140)의 캐소드측으로부터 자외선을 조사함으로써, 접착제(190)를 경화시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 접착제(190)는 캐소드측 확산층(120)까지 확산되어도 된다. 도 2의 (F)는 제조된 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리(180)를 도시한다.
도 3은 종래의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 공정을 도시하는 설명도이다. 도 3의 (A)에서는, 우선, 애노드측 확산층(130)과, CCM(110)을 접합한다. 도 3의 (B)에서는, CCM(110) 상에 CCM(110)의 크기보다도 작은 캐소드측 확산층(120)이 배치되어, MEA가 형성된다. 도 3의 (C)에서는, 캐소드측 확산층(120)의 외측의 CCM(110) 상에 접착제(190)가 도포된다. 도 3의 (D)에서는, 개구부를 갖는 프레임(140)이 MEA에 덮여진다. 도 3의 (E)는 형성된 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리(181)를 도시한다.
종래의 제조 방법에서는, 프레임(140)의 개구부에의, 캐소드측 확산층(120)의 끼워 넣기와, 프레임(140)과 CCM(110)의 접착이 동시에 행해진다. 여기서, 일반적으로 프레임(140)의 개구부나 캐소드측 확산층(120)의 형성 및 그들 배치 공정에 있어서는, 공차나 오차가 발생할 수 있다. 즉, 공차로서는, 확산층의 펀칭 치수 공차나, 확산층의 배치 공차 및 프레임의 배치 공차가 포함된다. 따라서, 이와 같은 공차나 오차가 발생해도, 프레임(140)과, 캐소드측 확산층(120)의 외측 테두리가 겹치지 않도록 하기 위해, 종래의 제조 공정에서는, 프레임(140)의 개구부의 크기는, 캐소드측 확산층(120)의 크기보다도 커지도록 형성되어 있었다. 그로 인해, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리(181)에 있어서, 캐소드측 확산층(120)과, 프레임(140)의 개구부 사이에 0.5㎜∼2㎜ 정도의 간극이 발생하고, (a) 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 크기가 커져 버리고, (b) 간극이 접착제(190)로 매립되지 않는 경우에는, CCM(110)의 내구성이 저하된다고 하는 문제가 있었다.
또한, 종래의 제조 공정에 있어서는, 이하의 이유로부터, 캐소드측 확산층(120)의 배치에 관해서도 상당한 주의를 기울일 필요가 있었다. 전술한 바와 같이, 통상 캐소드측 확산층(120)은 캐소드측 촉매층보다도 작은 형상으로 형성되어 있고, 캐소드측 촉매층의 영역 내에 캐소드측 확산층(120)이 들어가도록 배치되어 있다. 이 이유는, 캐소드측 확산층(120)이 카본 페이퍼로 형성되어 있는 경우에, 캐소드측 확산층(120)의 단부가, 촉매층이 존재하지 않는 전해질막의 위치에 오면, 카본 페이퍼의 섬유가 전해질막을 찔러, 전해질막의 손상이나 크로스 누설의 원인으로 될 가능성이 있기 때문이다. 따라서, 이와 같은 손상이나 크로스 누설을 방지하기 위해, 캐소드측 촉매층의 영역 내에 캐소드측 확산층(120)이 확실하게 들어가도록 배치하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 캐소드측 확산층(120)은 1매씩 세심한 주의를 기울여 CCM(110) 상에 배치되어 있었다.
도 2에서 설명한 본 실시 형태에서는, 프레임(140)의 개구부와, 캐소드측 확산층(120)을 동일한 칼(200)로 형성하기 때문에, 캐소드측 확산층(120)과, 프레임(140)의 개구부 사이에 간극이 발생하지 않는다. 또한, 본 실시 형태에서는, 칼(200)을 뺄 때에 캐소드측 확산층(120)이 프레임(140)의 개구부에 끼워 넣어지기 때문에, 프레임(140)과, CCM(110)의 접착 시에는, 캐소드측 확산층(120)이 프레임(140)의 개구부에 끼워 넣어져 있고, 프레임(140)과 캐소드측 확산층(120)의 외측 테두리가 겹치는 일이 없다. 또한, 캐소드측 확산층(120)의 배치 공차나 프레임(140)의 배치 공차를 거의 제로로 할 수 있으므로, 프레임(140)의 사이즈가 작아지고, 나아가서는, 연료 전지 셀의 콤팩트화를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 프레임(140)을 투명한 수지로 형성하면, 자외선 등의 광선을 사용하여 접착제(190)를 경화시킬 수 있다. 또한, 프레임/확산층 집합체(400)와 CCM(110)의 위치 정렬 상태[도 2의 (E)]를 프레임(140)측으로부터 시인할 수 있으므로, 프레임/확산층 집합체(400)와 CCM(110)의 위치 정렬[즉, 캐소드측 확산층(120)과 CCM(110)의 캐소드측 촉매층의 위치 정렬]을 고정밀도로 행하는 것이 가능하다.
도 4는 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리(180)의 제조 장치(20)의 일부를 도시하는 설명도이다. 제조 장치(20)는 펀칭 장치(500)와, 반송 장치(600)를 구비한다. 반송 장치(600)는 확산층 시트 조출 롤러(220)와, 프레임 시트 조출 롤러(240)와, 반송 롤러(250, 260)를 구비한다. 확산층 시트 조출 롤러(220)는 캐소드측 확산층 시트(120s)가 권취되어 있고, 캐소드측 확산층 시트(120s)를 조출한다. 프레임 시트 조출 롤러(240)는 프레임 시트(140s)가 권취되어 있고, 프레임 시트(140s)를 조출한다.
반송 롤러(250)는 캐소드측 확산층 시트(120s)와 프레임 시트(140s)를 겹쳐 펀칭 장치(500)에 보낸다. 펀칭 장치(500)는 도 2에서 설명한 칼(200)을 갖고 있고, 캐소드측 확산층 시트(120s)로부터 캐소드측 확산층(120)을 펀칭하고, 프레임 시트(140s)에 개구부를 형성함과 함께, 칼(200)을 뺄 때에 프레임 시트(140s)의 개구부에 캐소드측 확산층(120)을 끼워 넣는다. 반송 롤러(260) 중 캐소드측 확산층 시트(120s)측의 반송 롤러(260a)는 캐소드측 확산층 시트(120s)의 폭과 거의 동일한 폭이지만, 프레임 시트(140s)측의 반송 롤러(260b)는 2분할되어 있다. 2개의 반송 롤러(260b)의 간격은, 캐소드측 확산층(120)의 폭보다도 조금 크다.
도 5는 펀칭 장치(500)의 내부 구성과 동작을 도시하는 설명도이다. 펀칭 장치(500)는 칼(200)과, 상부 케이스(212)와, 하부 베이스(214)와, 상부 누름 부재(216)와, 하부 누름 부재(218)를 구비한다. 이들 누름 부재(216, 218)는, 탄성이 있는 부재(예를 들어 발포 부재 등의 쿠션성 부재)로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 프레임 시트(140s)에 끼워 넣어진 캐소드측 확산층(120)은 프레임 시트(140s)의 하면보다도 하측으로 튀어나와 있으므로, 하부 베이스(214)의 반송 방향 하류측(214b)은 캐소드측 확산층(120)과 간섭하지 않도록 반송 방향 상류측(214a)보다도 낮다.
도 5의 (A)는 캐소드측 확산층 시트(120s)와 프레임 시트(140s)가 펀칭 위치로 반송된 상태를 도시한다. 하부 베이스(214)의 반송 방향 상류측(214a)의 상면과, 하부 누름 부재(218)의 상면은, 동일한 높이이다.
도 5의 (B)는 칼(200)이 내려진 상태를 도시한다. 칼(200)은 테이퍼 형상을 갖고 있고, 테이퍼로 캐소드측 확산층 시트(120s)의 절단면을 눌러 확장시키면서 캐소드측 확산층 시트(120s)로부터 캐소드측 확산층(120)을 펀칭하고, 또한 프레임 시트(140s)에 파고 들어가 있다. 이때, 상부 누름 부재(216)는 칼(200)과 동시에 움직여도 된다.
도 5의 (C)는 칼(200)이 캐소드측 확산층 시트(120s)와 프레임 시트(140s)를 펀칭한 상태를 도시한다. 상부 누름 부재(216)는 캐소드측 확산층(120)의 상면이 프레임 시트(140s)의 상면과 동일한 높이로 되는 상태까지 내려진다. 칼(200)은 테이퍼 형상을 갖고 있기 때문에, 프레임 시트(140s)의 개구부는 눌러 확장되고, 캐소드측 확산층(120)은 면적이 좁아지도록 압축된다. 그 결과, 프레임 시트(140s)의 개구부의 내측에 캐소드측 확산층(120)을 위치시킬 수 있다. 그리고, 이 상태를 유지한 채, 칼(200)이 빼내어진다. 이에 의해, 프레임 시트(140s)의 개구부에 캐소드측 확산층(120)이 끼워 넣어진다. 캐소드측 확산층(120)이 끼워 넣어진 프레임 시트(140s)는 다음 공정으로 반송된다. 하부 베이스(214)의 반송 방향 하류측(214b)은 반송 방향 상류측(214a)보다도 낮으므로, 캐소드측 확산층(120)을 하부 베이스(214)의 반송 방향 하류측(214b)과 간섭시키지 않고, 프레임 시트(140s)를 반송하는 것이 가능하다. 또한, 프레임 잔량부(140a)는 칼(200)을 빼면, 하부 누름 부재(218) 상에 남으므로, 예를 들어 프레임 잔량부(140a)를 프레임 시트(140s)의 반송 방향과 교차하는 방향으로 배출해도 된다.
도 6은 캐소드측 확산층(120)이 끼워 넣어진 프레임 시트(140s)와, 애노드측 부재의 부착 장치 및 공정을 도시하는 설명도이다. 애노드측 부재 부착 장치(30)는 상부 프레스판(310)과 하부 프레스판(320)을 구비한다. 애노드측 부재(135)는 CCM(110)와 애노드측 확산층(130)을 구비하는 부재이다. CCM(110)는, 캐소드측 촉매층(112)과, 애노드측 촉매층(113)을 구비하고 있다. 애노드측 부재(135)는 애노드측 확산층(130) 상에 애노드측 촉매층(113)이 형성된 전해질막(111)을 부착하고, 전해질막(111) 상에 캐소드 촉매층을 도포 시공함으로써, 미리 작성되어 있다. 캐소드측 촉매층(112)의 크기는, 캐소드측 확산층(120)의 크기와 거의 동일한 크기이다. 또한, 캐소드측 촉매층(112)의 크기는, 캐소드측 확산층(120)보다도 조금 큰 것이 바람직하다. 전해질막(111)과 애노드측 촉매층(113)의 크기는 거의 동일하고, 캐소드측 촉매층(112)의 크기보다도 크고, 전해질막(111)의 외측 테두리는, 캐소드측 촉매층(112)보다도 외측으로 확장되어 있다. 애노드측 촉매층(113)의 외면측(도면에서는 하측)에는, 마이크로 다공성층(116)[이하 「MPL(116)」이라고도 칭함]을 사이에 끼워 애노드측 확산층(130)이 배치되어 있다. 애노드측 확산층(130)의 크기는, 애노드측 촉매층(113)의 크기와 거의 동일하다. 또한, MPL(116)은 없어도 된다.
도 6의 (A)에서는, 전해질막(111)의 캐소드측 촉매층(112)보다도 외측으로 돌출된 부분에 접착제가 도포된다. 그리고, 캐소드측 확산층(120)과, 캐소드측 촉매층(112)이 겹치도록 위치 정렬이 행해진다. 프레임 시트(140s)를 투명한 부재로 형성하면, 위치 정렬 상태를 시인할 수 있으므로, 위치 정렬 정밀도를 높이는 것이 가능하다.
도 6의 (B)에서는, 상부 프레스판(310)이 캐소드측 확산층(120) 및 프레임 시트(140s)에 접할 때까지 하방으로 이동하고, 애노드측 부재(135)를 적재한 하부 프레스판(320)이 상방으로 이동된다.
도 6의 (C)에서는, 캐소드측 확산층(120)이 상하 방향으로 압축되고, 접착제가 프레임 시트(140s)와 접촉하고, 프레임 시트(140s)와, CCM(110)가 접착제(190)에 의해 접착된다. 또한, 상부 프레스판(310)과, 하부 프레스판(320)의 이동에 의해, 애노드측 확산층(130)도 상하 방향으로 압축되어도 된다. 또한, 상술한 바와 같이, 접착제(190)는 자외선에 의해 경화되는 것이어도 된다. 이 경우, 상부 프레스판(310)은 자외선을 통과시키는 재료, 예를 들어 석영에 의해 만들어져 있어도 된다.
도 6의 (D)는 형성된 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리(180)를 도시한다. 도 6의 (C)에 비하면, 캐소드측 확산층(120)은 압축 상태가 완화되어, 프레임 시트(140s)보다 상방으로 튀어나와 있다. 단, 도 1과 같이, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리(180)가 연료 전지 스택(10)에 짜여졌을 때에는, 캐소드측 확산층(120)은 연료 전지 스택(10)의 체결력에 의해, 도 6의 (C)에 도시한 바와 같은 상태로 압축된다. 또한, 도 3에 도시한 종래의 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 공정에서는, 프레임(140)과 캐소드측 확산층(120) 사이에 간극이 있기 때문에, 접착제(190)가 도포되지 않는 부분을 없애기 위해 다량으로 접착제(190)를 도포한 경우, 프레임(140)과 캐소드측 확산층(120)의 간극을 도포하여 접착제(190)가 위로 밀려 나와 문제를 발생할 우려가 있었다. 따라서 많은 접착제(190)를 도포하는 것이 곤란하고, 접착제(190)의 양의 부족에 의한 「미도포 장소」가 존재하는 경우가 있었다. 한편, 본 실시 형태의 경우에는 프레임 시트(140s)와 캐소드측 확산층(120) 사이에는 거의 간극이 없어 접착제(190)가 간극으로부터 위로 밀려 나올 가능성이 낮기 때문에 접착제(190)를 필요량만큼 도포하는 것이 가능하게 되었다.
도 7은 프레임과 MEA의 형상의 변형을 도시하는 설명도이다. 도 7의 (A)는 지금까지 설명해 온 프레임(140)[또는 프레임 시트(140s)]에 단차가 있는 형상이다. 도 7의 (B)에 도시한 바와 같이, 프레임(140)의 단차 형상은 없어도 된다. 또한 프레임(140)을 형성할 때에, 표면에 접착성을 갖는 폴리머를 동시 압출 형성하여, 시일부를 구비하도록 해도 된다. 이 경우, CCM(110)과 프레임(140)을 접착할 때에 접착제를 삭감하는 것이 가능하게 된다. 도 7의 (C), (D)는 각각, 시일부를 갖는 프레임의, 단차 구조를 갖지 않는 경우와 갖는 경우의 형상을 도시한다.
제2 실시 형태:
도 8은 제2 실시 형태의 프레임 시트(140s)와 캐소드측 확산층(120)을 도시하는 설명도이다. 제2 실시 형태는, 제1 실시 형태와, 칼(200)이 펀칭하는 형상이 상이하다. 칼(200)이 펀칭하는 형상은, 제1 실시 형태에서는 직사각형이지만, 제2 실시 형태에서는 도 8에 도시한 바와 같은 직사각형에 끼워 맞춤 형상(122)을 추가한 형상이다. 본 실시 형태에서는, 끼워 맞춤 형상(122)은 캐소드측 확산층(120)측에서 보면, 직사각형의 외측 테두리측으로 튀어나온 볼록 형상을 갖고 있고, 직사각형의 4코너와 긴 변의 거의 중앙에 형성되어 있다. 끼워 맞춤 형상(122)은 근원이 잘록한 형상을 갖고 있고, 반송 방향과 평행한 변 또는 그 양단부에 형성되어 있다. 끼워 맞춤 형상(122)의 반송 방향 후방측의 변(122a)은 반송 방향에 대해 후퇴각을 갖는 후퇴각 부분을 형성하고 있다. 이와 같은 끼워 맞춤 형상(122)을 가짐으로써, 변(122a)에 프레임 시트(140s)가 맞물리므로, 반송 도중에 캐소드측 확산층(120)이 프레임 시트(140s)의 개구부로부터 빠지기 어렵게 할 수 있다.
도 9는 끼워 맞춤 형상(122)을 갖는 경우의 효과를 도시하는 설명도이다. 펀칭 형상이 끼워 맞춤 형상(122)을 갖지 않는 경우에는, 도 9의 우측 하단 (D)에 도시한 바와 같이, 반송 도중에 캐소드측 확산층(120)이 프레임 시트(140s)의 개구부로부터 빠지는 것이 일어날 수 있지만, 끼워 맞춤 형상(122)을 갖는 경우에는, 도 9의 우측 상단 (C)에 도시한 바와 같이, 반송 도중에 캐소드측 확산층(120)이 프레임 시트(140s)의 개구부로부터 빠지기 어렵다.
도 10은, 끼워 맞춤 형상의 변형예를 도시하는 설명도이다. 이 변형예에서는, 끼워 맞춤 형상(123)은 반송 방향과 평행한 변에 형성되어 있다. 또한, 끼워 맞춤 형상(123)은 근원이 잘록한 형상을 갖고 있고, 끼워 맞춤 형상(123)의 반송 방향 후방측의 변(123a)은 반송 방향에 대해 후퇴각을 갖고 있다. 또한, 도 8에 도시하는 예에서는 4코너에 끼워 맞춤 형상(122)을 갖고, 도 10에 도시하는 예에서는, 반송 방향과 평행한 2개의 변의 양쪽에 끼워 맞춤 형상(123)을 갖고 있었지만, 끼워 맞춤 형상(122, 123)은, 4코너 중 어느 하나, 또는 반송 방향과 평행한 2개의 변 중 어느 하나의 적어도 1개소에 있으면 된다.
제3 실시 형태:
도 11은, 제3 실시 형태를 도시하는 설명도이다. 제3 실시 형태는, 프레임 시트(142s)가 단차(142c)를 갖고 있는 경우의 실시 형태이다. 제3 실시 형태에서는, 프레임 시트(142s)와, 캐소드측 확산층 시트(120s)를 겹칠 때에, 프레임 시트(142s)와 캐소드측 확산층 시트(120s) 사이에 쿠션 시트(300s)를 끼운다. 즉, 제3 실시 형태는, 프레임 시트(142s)의 단차(142c)를 쿠션 시트(300s)로 완화한다. 쿠션 시트(300s)는, 예를 들어 두께 200㎛∼300㎛의 발포 시트로 형성되어 있다. 또한, 쿠션 시트(300s)는 발포 시트 이외의 재료, 예를 들어 종이나 부직포로 형성되어도 된다. 또한, 다른 구성에 대해서는, 도 5에서 설명한 것과 마찬가지이다.
도 12는, 제3 실시 형태에 있어서의 캐소드측 확산층(120)의 펀칭 공정을 도시하는 설명도이다. 도 12의 (A)는 캐소드측 확산층 시트(120s)와 쿠션 시트(300s)와, 프레임 시트(142s)가 펀칭 위치로 반송된 상태를 도시한다. 도 12의 (B)는 칼(200)이 내려진 상태를 도시한다. 칼(200)은 테이퍼로 캐소드측 확산층 시트(120s)의 절단면을 눌러 확장시키면서 캐소드측 확산층 시트(120s)를 펀칭하고, 또한 쿠션 시트(300s)에 파고 들어가고 있다. 이때, 쿠션 시트(300s)는 상부 누름 부재(216) 및 펀칭된 캐소드측 확산층(120)에 의해 하방으로 눌리고, 프레임 시트(142s)와 밀착한다.
도 12의 (C)에서는, 칼(200)은 프레임 시트(142s)에 파고 들어가고, 프레임 시트(142s)의 절단면을 눌러 확장시키면서 프레임 시트(142s)를 펀칭한다. 또한, 칼(200)은 테이퍼 형상을 갖고 있기 때문에, 캐소드측 확산층(120)의 절단면은 더욱 눌러 확장된다. 상부 누름 부재(216)는 도 12의 (C)에 도시한 바와 같이, 캐소드측 확산층(120)이 프레임 시트(142s)와 동일한 높이로 되는 상태까지 내릴 수 있다. 칼(200)은 테이퍼 형상을 갖고 있기 때문에, 프레임 시트(142s)의 개구부는 눌러 확장되고, 캐소드측 확산층(120)은 면적이 좁아지도록 압축된다. 그 결과, 프레임 시트(142s)의 개구부의 내측에 캐소드측 확산층(120)을 위치시킬 수 있다. 그리고, 이 상태를 유지한 채, 칼(200)이 빼내어진다. 이에 의해, 프레임 시트(142s)의 개구부에 캐소드측 확산층(120)이 끼워 넣어진다. 캐소드측 확산층(120)이 끼워 넣어진 프레임 시트(142s)는 도 6에서 설명한, 애노드측 부재의 부착 공정에 반송된다. 쿠션 시트 잔량부(300a) 및 프레임 잔량부(142a)는 칼(200)을 빼면, 하부 누름 부재(218) 상에 남으므로, 예를 들어 프레임 시트(142s)의 반송 방향과 교차하는 방향으로 배출해도 된다.
이상과 같이, 프레임 시트(142s)에 단차(142c)가 존재하는 경우에도, 캐소드측 확산층 시트(120s)와, 프레임 시트(142s) 사이에 쿠션 시트(300s)를 끼움으로써, 프레임 시트(142s)의 개구부에 캐소드측 확산층(120)을 끼워 넣을 수 있다.
제4 실시 형태:
도 13은, 제4 실시 형태를 도시하는 설명도이다. 제1∼제3 실시 형태에서는, 칼(200)을 뺄 때에 동시에, 캐소드측 확산층(120)을 프레임 시트(140s)[또는 프레임 시트(142s)]에 끼워 넣었다. 제4 실시 형태에서는, 캐소드측 확산층(120)을 펀칭하는 공정과, 프레임 시트(140s)에 캐소드측 확산층(120)을 끼워 넣는 공정을 독립시키고 있다.
연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치(40)는 펀칭 장치(500)와, 프레임 시트 조출 롤러(240)와, 애노드측 부재 부착 장치(30)와, 권취 롤러(245)를 구비한다. 본 실시 형태의 펀칭 장치(500)의 구성은, 도 5에서 설명한 펀칭 장치(500)와 동일한 구성이며, 애노드측 부재 부착 장치(30)의 구성은, 도 6에서 설명한 애노드측 부재 부착 장치(30)의 구성과 마찬가지이다. 본 실시 형태에서는, 펀칭 장치(500)의 칼(200)은 프레임 시트(140s)만을 펀칭한다. 또한, 펀칭된 프레임 잔량부(140a)는 프레임 시트(140s)에 끼워 넣어지지 않고 반송 방향과 교차하는 방향으로 배출된다. 본 실시 형태에서는, 캐소드측 확산층(120)은 미리 캐소드측 확산층 시트(120s)로부터 펀칭되어 형성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서도, 프레임 시트(140s)에 캐소드측 확산층(120)을 끼워 넣고 나서 애노드측 부재(135)를 부착하므로, 프레임 시트(140s)의 개구부의 형성, 캐소드측 확산층(120)의 형성, 배치에 있어서, 공차나 오차를 고려하지 않아도 된다. 또한, 프레임 시트(140s)와, 캐소드측 확산층(120)의 외측 테두리가 겹치기 어렵고, 반응 가스의 누설도 일어나기 어렵다. 또한, 캐소드측 확산층(120)을 프레임 시트(140s)와 세트로 반송할 수 있다. 또한, 제1∼제3 실시 형태에서는, 먼저 캐소드측 확산층 시트(120s)와, 프레임 시트(140s)를 겹치기 위해, 1개의 발전 유닛(100)에 사용되는 캐소드측 확산층 시트(120s)와, 프레임 시트(140s)의 반송 방향의 길이는 동일하다. 이에 대해, 이 실시 형태에서는, 1개의 발전 유닛(100)에 사용되는 캐소드측 확산층 시트(120s)의 반송 방향의 길이를, 프레임 시트(140s)의 반송 방향의 길이보다도 짧게 할 수 있기 때문에, 캐소드측 확산층 시트(120s)의 소비를 절약할 수 있다.
제5 실시 형태:
도 14는, 제5 실시 형태를 도시하는 설명도이다. 도 2에 도시하는 제1 실시 형태와의 차이는, 날(200a, 200b)의 이동 방향이다. 도 2에 도시하는 제1 실시 형태에서는, 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이, 칼(200)은 캐소드측 확산층 시트(120s)의 법선 NL과 평행한 방향으로 이동한다. 이에 대해, 제5 실시 형태에서는, 도 14의 (B)에 도시한 바와 같이 날(200a, 200b)의 선단측의 간격이, 날(200a, 200b)의 근원측의 간격보다도 좁아지고 있다.
도 14의 (C)에 도시한 바와 같이, 날(200a, 200b)은, 펀칭된 캐소드측 확산층(120)의 법선 NL 방향의 프레임(140)측의 표면의 크기가, 프레임(140)과 반대측의 표면의 크기보다도 작아지도록, 캐소드측 확산층 시트(120s)측으로부터 법선 NL 방향에 대해 비스듬히 펀칭한다. 도 14의 (D)에 도시한 바와 같이, 캐소드측 확산층(120)이 프레임(140)과 거의 동일한 높이로 될 때까지 날(200a, 200b)을 압입한다. 그리고, 도 14의 (E)에 도시한 바와 같이, 이 동일한 높이의 상태를 유지하면서 날(200a, 200b)을 뺀다. 날(200a, 200b)을 뺌으로써, 날(200a, 200b)의 사이에 끼워져 있었던 프레임 잔량부(140a)는 낙하하고, 캐소드측 확산층(120)은 프레임(140)에 끼워 넣어진다.
도 14의 (F)는 프레임(140)에 캐소드측 확산층(120)이 끼워 넣어진 상태를 도시하고 있다. 캐소드측 확산층(120)은 상측이 크고, 하측이 작은 형상으로 된다. 한편, 프레임(140)의 개구부는, 상측이 크고, 하측이 작은 형상으로 된다. 그리고, 캐소드측 확산층(120)의 상측의 크기는, 프레임(140)의 개구부의 하측의 크기보다도 크다. 그 결과, 캐소드측 확산층(120)은 프레임(140)에 의해, 물리적으로 지지된다. 제1 실시 형태에서는, 캐소드측 확산층(120)은 프레임(140)과의 사이의 마찰력에 의해 보유 지지된다. 이에 대해, 제5 실시 형태에서는, 캐소드측 확산층(120)의 외측 테두리부가 프레임(140)에 의해 아래에서 지지되므로, 마찰력에 의해 보유 지지하는 것보다도, 캐소드측 확산층(120)이 낙하하기 어렵다. 도 14의 (F) 이후의 공정은, 도 2의 (E)(F)와 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.
도 15는, 제5 실시 형태의 펀칭 장치(500)의 내부 구성과 동작을 도시하는 설명도이다. 도 5에 도시하는 제1 실시 형태의 펀칭 장치(500)와의 차이는, 날(200a, 200b)의 선단측의 간격이, 날(200a, 200b)의 근원측의 간격보다도 좁아지도록, 날(200a, 200b)이 설치되어 있는 점과, 날(200a, 200b)을 법선 NL과 비스듬한 방향으로 이동시키는 이동 장치(205a, 205b)를 구비하고 있는 점이다.
도 15의 (A)는 캐소드측 확산층 시트(120s)와 프레임 시트(140s)가 펀칭 위치로 반송된 상태를 도시한다. 하부 베이스(214)의 반송 방향 상류측(214a)의 상면과, 하부 누름 부재(218)의 상면은, 동일한 높이이다.
도 15의 (B)는 날(200a, 200b)이 법선 NL에 대해 기울어진 방향으로 이동하고, 캐소드측 확산층 시트(120s)를 향하여 내려진 상태를 도시한다. 날(200a, 200b)은, 테이퍼 형상을 갖고 있고, 테이퍼로 캐소드측 확산층 시트(120s)의 절단면을 눌러 확장시키면서 캐소드측 확산층 시트(120s)로부터 캐소드측 확산층(120)을 펀칭하고, 또한 프레임 시트(140s)에 파고 들어가고 있다. 이때, 상부 누름 부재(216)는 날(200a, 200b)과 동시에 움직여도 된다.
도 15의 (C)는 날(200a, 200b)이 캐소드측 확산층 시트(120s)와 프레임 시트(140s)를 펀칭한 상태를 도시한다. 상부 누름 부재(216)는 캐소드측 확산층(120)의 상면이 프레임 시트(140s)의 상면과 동일한 높이로 되는 상태까지 내려진다. 날(200a, 200b)은, 테이퍼 형상을 갖고 있기 때문에, 프레임 시트(140s)의 개구부는 눌러 확장되고, 캐소드측 확산층(120)은 면적이 좁아지도록 압축된다. 그 결과, 프레임 시트(140s)의 개구부의 내측에 캐소드측 확산층(120)을 위치시킬 수 있다. 그리고, 이 상태를 유지한 채, 날(200a, 200b)이 빼내어진다. 이때, 캐소드측 확산층(120)의 상측의 크기는, 프레임 시트(140s)의 개구부의 하측의 크기보다도 크기 때문에, 프레임 시트(140s)에 의해, 캐소드측 확산층(120)을 지지할 수 있다. 이후의 공정은, 제1 실시 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다.
제1 실시 형태에서는, 캐소드측 확산층(120)과 프레임(140)의 사이에는, 서로 압축하는 방향의 응력에 의해 캐소드측 확산층(120)은 프레임(140)에 보유 지지된 상태로 되지만, 이 응력이 약하면, 캐소드측 확산층(120)이 프레임(140)에 보유 지지되지 않을 우려가 있다. 그러나, 제5 실시 형태에 의하면, 캐소드측 확산층(120)의 상측의 크기는, 프레임(140)의 개구부의 하측의 크기보다도 크기 때문에, 응력이 약해도, 캐소드측 확산층(120)은 프레임(140)에 보유 지지된 상태로 된다.
또한, 날(200a, 200b)에 의한 펀칭 형상이 직사각형의 경우에는, 날(200a, 200b)은, 펀칭 형상의 대향하는 2개의 변을 자르는 날이어도 된다. 프레임(140)은 2개의 변으로 캐소드측 확산층(120)을 보유 지지할 수 있다.
제5 실시 형태에서는, 캐소드측 확산층(120)의 법선 NL의 방향에 대해 날(200a, 200b)을 비스듬히 이동시켰지만, 캐소드측 확산층 시트(120s)를 연직 방향과 수직한 수평 방향으로 이동시키고, 날(200a, 200b)을 연직 방향(중력 방향)에 대해 비스듬히 이동시켜, 캐소드측 확산층 시트(120s)와 프레임 시트(140s)를 펀칭해도 된다.
이상, 몇 가지의 실시예에 기초하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 상기한 발명의 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 그 취지 및 특허청구범위를 일탈하는 일 없이, 변경, 개량될 수 있음과 함께, 본 발명에는 그 등가물이 포함되는 것은 물론이다.
10 : 연료 전지 스택
20 : 제조 장치
30 : 애노드측 부재 부착 장치
40 : 제조 장치
100 : 발전 유닛
110 : 촉매층 접합 전해질막
111 : 전해질막
112 : 캐소드측 촉매층
113 : 애노드측 촉매층
116 : 마이크로 다공성층
120 : 캐소드측 확산층
120b : 캐소드측 확산층 잔량부
120s : 캐소드측 확산층 시트
123 : 끼워 맞춤 형상
122a, 123a : 변
130 : 애노드측 확산층
135 : 애노드측 부재
140 : 프레임
140s, 142s : 프레임 시트
142c : 단차
150 : 세퍼레이터 플레이트
155 : 산소 유로
160 : 세퍼레이터 플레이트
165 : 수소 유로
175 : 냉매 유로
180, 181 : 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리
190 : 접착제
200, 200a, 200b : 톰슨 칼(날)
205a, 205b : (날의) 이동 장치
212 : 상부 케이스
214 : 하부 베이스
214a : 반송 방향 상류측
214b : 반송 방향 하류측
216 : 상부 누름 부재
218 : 하부 누름 부재
220 : 확산층 시트 조출 롤러
240 : 프레임 시트 조출 롤러
245 : 권취 롤러
250, 260, 260a, 260b : 반송 롤러
300a : 쿠션 시트 잔량부
300s : 쿠션 시트
310 : 상부 프레스판
320 : 하부 프레스판
400 : 프레임/확산층 집합체
500 : 펀칭 장치
600 : 반송 장치

Claims (16)

  1. 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법이며,
    (a) 프레임용 시트와 확산층용 시트를 겹쳐 배치하는 공정과,
    (b) 상기 확산층용 시트와 상기 프레임용 시트를 겹친 상태에서 양 시트를 펀칭함으로써, 펀칭된 확산층과 정합하는 형상을 갖는 개구부를 가지는 프레임을 형성하는 공정을 구비하는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공정 (b)에 있어서의 펀칭 시 또는 펀칭 후에, 상기 펀칭된 확산층과 상기 프레임의 폭 방향 및 길이 방향의 위치를 각각 유지한 채, 상기 프레임의 상기 개구부에, 상기 펀칭된 확산층을 끼워 넣는 공정을 더 구비하는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 펀칭의 형상은 직사각형이며, 상기 직사각형의 변 또는 코너 중 적어도 1개소에 끼워 맞춤 형상을 더 갖는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 끼워 맞춤 형상은,
    상기 펀칭된 확산층에 있어서 상기 직사각형의 외측 테두리측이 볼록해지는 형상이며, 또한,
    상기 직사각형의 변 중 상기 프레임의 반송 방향과 평행한 변, 또는, 상기 직사각형의 코너에 형성되어 있는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 펀칭된 확산층에 있어서의 상기 끼워 맞춤 형상은, 상기 반송 방향에 대해 후퇴각을 갖는 후퇴각 부분을 갖고 있는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공정 (b)에 있어서 상기 확산층용 시트와 상기 프레임용 시트를 겹친 상태에서 양 시트를 펀칭할 때에, 상기 펀칭된 확산층의 상기 프레임측의 크기가, 상기 펀칭된 확산층의 상기 프레임과 반대측의 크기보다도 작아지도록, 상기 확산층측으로부터 상기 확산층의 법선 방향에 대해 비스듬히 펀칭하는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 확산층은, 카본 페이퍼로 형성되어 있는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프레임은, 투명한 수지로 형성되어 있는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 방법.
  9. 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치이며,
    확산층용 시트가 권취된 제1 롤러와,
    프레임용 시트가 권취된 제2 롤러와,
    상기 확산층용 시트와 상기 프레임용 시트를 반송하는 반송 장치와,
    상기 확산층용 시트와 상기 프레임용 시트를 겹친 상태에서 양 시트를 동시에 펀칭함으로써, 펀칭된 확산층과 정합하는 형상을 갖는 개구부를 가지는 프레임을 형성하는 펀칭 장치를 구비하는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펀칭 장치는,
    상기 펀칭을 행하기 위한 날과,
    상기 펀칭 이후에 상기 날을 후퇴시킬 때에 상기 펀칭된 확산층을 눌러 상기 프레임의 상기 개구부에 끼워 넣기 위한 누름 부재를 구비하는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 펀칭의 형상은 직사각형이며, 상기 직사각형의 변 또는 코너 중 적어도 1개소에 끼워 맞춤 형상을 더 갖는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 끼워 맞춤 형상은,
    상기 펀칭된 확산층에 있어서 상기 직사각형의 외측 테두리측이 볼록해지는 형상이며, 또한,
    상기 직사각형의 변 중 상기 프레임의 반송 방향과 평행한 변, 또는, 상기 직사각형의 코너에 형성되어 있는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 펀칭된 확산층에 있어서의 상기 끼워 맞춤 형상은, 상기 반송 방향에 대해 후퇴각을 갖는 후퇴각 부분을 갖고 있는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 펀칭의 형상은 직사각형이며,
    상기 직사각형의 대향하는 2개의 변을 펀칭하는 날은, 상기 확산층용 시트와 상기 프레임용 시트를 펀칭할 때에, 상기 펀칭된 확산층의 상기 프레임측의 크기가, 상기 펀칭된 확산층의 상기 프레임과 반대측의 크기보다도 작아지도록, 상기 확산층측으로부터 상기 확산층의 법선 방향에 대해 비스듬히 펀칭하는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치.
  15. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 확산층은, 카본 페이퍼로 형성되어 있는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치.
  16. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 프레임은, 투명한 수지로 형성되어 있는, 연료 전지용 전극 프레임 어셈블리의 제조 장치.
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