(57)【要約】      （修正有）【課題】電解質膜にアノード電極及びカソード電極を積層した積層体と、樹脂部との接合強度不足を抑制できる膜電極接合体の製造装置を提供する。【解決手段】膜電極接合体製造装置２００は、アノード電極２２に当接するアノード当接部２１１と、カソード電極２３に当接するカソード当接部２２１と、アノード当接部２１１とカソード当接部２２１とによって挟持される積層体２４の外周端部に樹脂枠を成型するための成型室２４０を画成する成型部２１４、２２４とを備える。この成型部２１４、２２４には、成型室２４０内に射出されて成型室外縁側から積層体外周端部に流れる樹脂材がアノード電極２２及びカソード電極２３のうち一方の電極のガス拡散層に向かって流れるように樹脂材の流動を制御する流動制御部２２７が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面に前記アノード電極を配置し、他方の面に前記カソード電極を配置した積層体の外周端部に樹脂材を形成して膜電極接合体を製造する膜電極接合体製造装置であって、
前記アノード電極に当接するアノード当接部と、
前記カソード電極に当接するカソード当接部と、
前記アノード当接部と前記カソード当接部とによって挟持される前記積層体の外周端部に前記樹脂部を成型するための成型室を画成する成型部と、
前記成型部に設けられ、前記成型室内に射出されて成型室外縁側から積層体外周端部に流れる樹脂材が前記アノード電極及び前記カソード電極のうち一方の電極のガス拡散層に向かって流れるように前記樹脂材の流動を制御する流動制御部と、
を備えることを特徴とする膜電極接合体製造装置。
【請求項２】
前記積層体は、前記カソード電極が前記アノード電極の外形内に収まるように構成され、
前記流動制御部は、カソード電極側の前記成型部から前記成型室内に突出する突出部である、
ことを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体製造装置。
【請求項３】
前記突出部は、成型室外縁側から積層体外周端部に向かって、突出高さが増加して、その後突出高さが低下するように形成される、
ことを特徴とする請求項２に記載の膜電極接合体製造装置。
【請求項４】
前記突出部は、成型室外縁側から積層体外周端部に向かう方向において、最高突出高さ位置が前記アノード電極の外周端部近傍となるように配置される、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の膜電極接合体製造装置。
【請求項５】
アノード電極側の前記成型部には、前記突出部と対向する位置に凹部が形成される、
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１つに記載の膜電極接合体製造装置。
【請求項６】
前記凹部は、前記突出部の突出高さに応じて窪むように形成される、
ことを特徴とする請求項５に記載の膜電極接合体製造装置。
【請求項７】
前記カソード当接部は、アノード電極側に突出する突出当接面を形成し、前記突出当接面を介して前記カソード電極に当接する、
ことを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１つに記載の膜電極接合体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の膜電極接合体を製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水素を含有するアノードガスと酸素を含有するカソードガスを反応ガスとして、電気化学反応によって化学エネルギを直接電気エネルギに変換する燃料電池が知られている。
【０００３】
特許文献１には、電解質膜の一方の面にアノード電極を配置し、他方の面にカソード電極を配置して積層体を構成し、積層体の外周端部に樹脂部を一体形成した燃料電池の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）が開示されている。このＭＥＡは樹脂部を備えるので、ＭＥＡとセパレータとの間のシール性が高まり、さらにＭＥＡ自体の機械的強度が増加してハンドリング性が向上する。
【特許文献１】特開２００８−４１３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１では、金型内に溶融状態の樹脂材を射出して積層体の外周端部に樹脂部を形成するが、金型内に射出された樹脂材の流動状態については考慮していない。したがって、特許文献１に記載のＭＥＡにおいては、積層体のアノード電極やカソード電極のガス拡散層に樹脂材が浸透しにくく、積層体と樹脂部との接合強度が不足するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、電解質膜にアノード電極及びカソード電極を積層した積層体と、積層体外周端部に一体形成される樹脂部との接合強度不足を抑制できる膜電極接合体の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明は、電解質膜の一方の面にアノード電極を配置し、他方の面にカソード電極を配置した積層体の外周端部に、樹脂材を形成して、膜電極接合体を製造する膜電極接合体製造装置である。膜電極接合体製造装置は、アノード電極に当接するアノード当接部と、カソード電極に当接するカソード当接部と、アノード当接部とカソード当接部とによって挟持される積層体の外周端部に樹脂部を成型するための成型室を画成する成型部とを備える。そして、この成型部には、成型室内に射出されて成型室外縁側から積層体外周端部に流れる樹脂材がアノード電極及びカソード電極のうち一方の電極のガス拡散層に向かって流れるように、樹脂材の流動を制御する流動制御部が設けられる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、積層体外周端部に浸透する樹脂材が電極のガス拡散層に向かって流動するので、積層体と樹脂部との接合強度が十分な膜電極接合体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
車両用の燃料電池スタックは、固体高分子型の燃料電池である単セルを複数積層して構成される。
【００１０】
図１は、燃料電池スタック１００において隣接する単セル１０の積層方向の一部断面を示す図である。
【００１１】
燃料電池スタック１００の単セル１０は、ＭＥＡ２０と、ＭＥＡ２０を挟むように配置されるアノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３３とを備える。
【００１２】
ＭＥＡ２０は、電解質膜２１の一方の面にアノード電極２２を配置し、他方の面にカソード電極２３を配置した積層体２４であって、積層体２４の外周端部に樹脂枠２５を一体形成して構成される。
【００１３】
電解質膜２１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜２１は、カソード電極２３よりも外形が大きく、カソード電極２３が配置されない外縁部２１Ａを有する。電解質膜２１は湿潤状態で良好な電気伝導性を示すので、燃料電池スタック１００ではアノードガスやカソードガスを加湿する。
【００１４】
アノード電極２２は、電解質膜２１とほぼ同形状に形成され、触媒層２２Ａとガス拡散層２２Ｂとを備える。アノード電極２２の触媒層２２Ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成され、電解質膜２１に接する。アノード電極２２のガス拡散層２２Ｂは、触媒層２２Ａの外側に設けられ、アノードセパレータ３２に接する。ガス拡散層２２Ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
【００１５】
カソード電極２３は、電解質膜２１よりも外形が小さくなるように形成され、電解質膜２１及びアノード電極２２の外形内に収まるように配置される。カソード電極２３は、アノード電極２２と同様に触媒層２３Ａとガス拡散層２３Ｂとを備える。カソード電極２３の触媒層２３Ａは電解質膜２１に接し、ガス拡散層２３Ｂは触媒層２３Ａの外側に設けられてカソードセパレータ３３に接する。
【００１６】
樹脂枠２５は、合成樹脂等からなる枠体であって、積層体２４の外周端部に一体形成される。樹脂枠２５は、アノードセパレータ３２及びカソードセパレータ３３と密着して燃料ガス等の漏出を抑えるとともに、ＭＥＡ自体の機械的強度を増加させてＭＥＡ２０のハンドリング性を向上させる。
【００１７】
アノードセパレータ３２は、金属等の導電性材料で形成された凹凸状の板部材である。アノードセパレータ３２は、アノード電極２２と接する面に、アノードガスを流すアノードガス流路３２Ａを形成する。アノードセパレータ３２は、アノード電極２２と接する側とは反対側の面に、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水を流す冷却水流路３２Ｂを形成する。
【００１８】
カソードセパレータ３３は、金属等の導電性材料で形成された凹凸状の板部材である。カソードセパレータ３３は、カソード電極２３と接する面に、カソードガスを流すカソードガス流路３３Ａを形成する。カソードセパレータ３３は、カソード電極２３と接する側とは反対側の面に、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水を流す冷却水流路３３Ｂを形成する。
【００１９】
なお、隣接する単セル１０において、一方の単セル１０のアノードセパレータ３２と他方の単セル１０のカソードセパレータ３３とに設けられたそれぞれの冷却水流路３２Ｂ、３３Ｂは互いに向き合うように構成され、これら冷却水流路３２Ｂ、３３Ｂによって１つの冷却水流路３１となる。
【００２０】
上記した単セル１０のＭＥＡ２０を製造する本実施形態のＭＥＡ製造装置２００について、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して説明する。
【００２１】
図２（Ａ）は、ＭＥＡ製造装置２００の正面図である。また、図２（Ｂ）は、ＭＥＡ２０を構成する積層体２４の積層方向における、ＭＥＡ製造装置２００の一部断面図である。
【００２２】
ＭＥＡ製造装置２００は、電解質膜２１の一方の面にアノード電極２２を配置し、他方の面にカソード電極２３を配置した積層体２４に溶融状態の樹脂材を射出し、積層体２４の外周端部に樹脂枠２５を一体形成して、ＭＥＡ２０を製造する装置である。
【００２３】
図２（Ａ）に示すように、ＭＥＡ製造装置２００は、アノード側金型２１０と、カソード側金型２２０と、アノード側金型２１０を積層方向に移動させるアノード側移動部２３１と、カソード側金型２２０を積層方向に移動させるカソード側移動部２３２とを備える。
【００２４】
アノード側金型２１０は、カソード側金型２２０の下側に水平に配置される。アノード側金型２１０は、アノード電極２２に当接する当接部２１１と、当接部２１１の周囲に形成される枠壁部２１２とを備える。
【００２５】
アノード側金型２１０の当接部２１１は、図２（Ｂ）に示すように、当接面２１３を介してアノード電極２２に当接する。アノード側金型２１０は、当接面２１３よりも外側の当接部２１１と、枠壁部２１２とによって、樹脂枠２５の一部を成型するための成型部２１４を形成する。
【００２６】
一方、カソード側金型２２０は、図２（Ａ）に示すように、アノード側金型２１０の上側に水平に配置される。カソード側金型２２０は、カソード電極２３に当接する当接部２２１と、当接部２２１の周囲に形成される枠壁部２２２とを備える。
【００２７】
カソード側金型２２０の当接部２２１には、図２（Ｂ）に示すように、当接部２２１からアノード電極側に突出する当接面２２３が形成される。当接部２２１は、突出する当接面２２３を介してカソード電極２３に当接する。カソード側金型２２０は、当接面２２３よりも外側の当接部２２１と、枠壁部２２２とによって、樹脂枠２５の一部を成型するための成型部２２４を形成する。
【００２８】
カソード側金型２２０の成型部２２４とアノード側金型２１０の成型部２１４とは互いに対向するように構成されており、積層体２４を挟持した状態で樹脂枠２５を成型するための成型室２４０となる。
【００２９】
カソード側金型２２０には、枠壁部２２２の各辺に、溶融状態の樹脂材を供給する供給管２２６が設けられる。供給管２２６から供給された樹脂材は、枠壁部２２２に形成された射出孔２２５を介して成型室２４０内に射出される。射出された樹脂材は、図２（Ｂ）の矢印に示すように、成型室２４０の外縁側から積層体２４の外周端部に向かう方向（樹脂材流れ方向）に流れる。
【００３０】
カソード側金型２２０の成型部側の当接部２２１には、成型室２４０内に突出する突出部２２７が積層体２４の周囲に沿って形成される。突出部２２７は、樹脂材の流れを阻害しないような形状とされ、樹脂材流れ方向において突出高さが徐々に増加して、その後突出高さが徐々に低下するように形成される。突出部２２７は、突出高さが最も高くなる最高突出部２２７Ａが樹脂材流れ方向においてアノード電極２２の端部近傍又はアノード電極２２の端部に一致するように配置される。
【００３１】
なお、ＭＥＡ製造時における成型室２４０の高さＨAは０．３０〜０．５０ｍｍとなるように設定され、カソード側金型２２０の突出部２２７は最高突出高さＨBが０．０５〜０．４５ｍｍ、突出端幅ＷBが０．５０〜３．００ｍｍとなるように設定される。より好ましくは、突出部２２７は最高突出高さＨBが０．１０〜０．３０ｍｍ、突出端幅ＷBが１．００〜２．００ｍｍとなるように形成される。
【００３２】
上記したＭＥＡ製造装置２００では、ＭＥＡ製造時に、アノード側移動部２３１によってアノード側金型２１０を移動させ、カソード側移動部２３２によってカソード側金型２２０を移動させて、アノード側金型２１０の当接面２１３とカソード側金型２２０の当接面２２３とによって積層体２４を挟持する。その後、アノード側金型２１０及びカソード側金型２２０は所定温度まで加熱され、溶融状態の樹脂材が成型室２４０内に射出される。これにより積層体２４の外周端部に樹脂枠２５が一体形成されてＭＥＡ２０が製造される。
【００３３】
ところで、従来のＭＥＡ製造装置では、金型内に射出された樹脂材の流動状態については考慮していないので、積層体と樹脂枠との接合強度が不足するという問題があった。従来のＭＥＡ製造装置における問題点について、図５を参照して説明する。
【００３４】
図５に示すように、従来のＭＥＡ製造装置３００は、本実施形態のＭＥＡ製造装置２００とほぼ同様の構成であるが、カソード側金型２２０に突出部を形成していない点及びカソード側金型２２０の当接面２２３が当接部２２１から突出していない点において相違する。
【００３５】
ＭＥＡ製造装置３００では、射出された樹脂材Ｒは、図５（Ａ）に示すように、成型室２４０の外縁側から積層体２４の外周端部に向かって流れる。アノード側金型２１０及びカソード側金型２２０近傍の樹脂材Ｒは冷却されて粘度が高くなるので、樹脂材Ｒは先端が凸形状となって流動する。そのため樹脂材Ｒの先端は、積層体２４の電解質膜２１やアノード電極２２の触媒層２２Ａに接触する。このように樹脂材Ｒが接触すると、樹脂材Ｒによってアノード電極２２のガス拡散層２２Ｂが押圧されるので、図５（Ｂ）の領域Ａに示すようにガス拡散層２２Ｂが圧縮される。アノード電極２２のガス拡散層２２Ｂが圧縮されると、ガス拡散層２２Ｂ内の空隙が減少するので、樹脂材Ｒがガス拡散層２２Ｂ内に浸透しにくくなる。その結果、ＭＥＡ製造装置３００で製造されたＭＥＡ２０では、積層体２４と樹脂枠２５との接合強度が不足する。
【００３６】
また、樹脂材Ｒは、積層体２４の電解質膜２１の上側を通って、カソード電極２３の外周端部へと流動する。アノード電極２２のガス拡散層２２Ｂは樹脂材Ｒによって圧縮されたままであるので、カソード電極２３とカソード側金型２２０の当接面２２３との間に隙間が生じ、その隙間には樹脂材Ｒが流入する。図５（Ｂ）の領域Ｂに示すように樹脂材Ｒが流入すると、カソード電極２３の発電反応面が減少してしまう。したがって、ＭＥＡ製造装置３００で製造されたＭＥＡ２０では、発電効率が悪化する。
【００３７】
これに対して、本実施形態のＭＥＡ製造装置２００では、カソード側金型２２０の突出部２２７によって積層体２４と樹脂枠２５との接合強度不足を抑制するとともに、カソード側金型２２０の当接面２２３によってカソード電極２３の発電反応面の減少を抑制する。
【００３８】
図３を参照して、ＭＥＡ製造装置２００でのＭＥＡ２０の製造について説明する。
【００３９】
ＭＥＡ製造装置２００では、図３（Ａ）に示すように成型室２４０内に射出された樹脂材Ｒは成型室外縁側から積層体外周端部へと流れる。アノード側金型２１０及びカソード側金型２２０近傍の樹脂材Ｒは冷却されて粘度が高くなるので、樹脂材Ｒは先端が凸形状となって流動する。樹脂材Ｒはカソード側金型２２０に形成された突出部２２７によってアノード電極側に寄せられ、樹脂材Ｒの先端がアノード電極２２のガス拡散層２２Ｂの外周端部に接触する。樹脂材Ｒの先端は金型側よりも粘度が低いので、樹脂材Ｒの先端がガス拡散層２２Ｂの外周端部に接触した場合には、図３（Ｂ）に示すように樹脂材Ｒがガス拡散層２２Ｂ内に十分に浸透する。
【００４０】
積層体２４の電解質膜２１の外周端部に到達した樹脂材Ｒは、電解質膜２１の上側に流れ込み、カソード電極２３の外周端部へと流動する。電解質膜２１の上側を流れる時においても、樹脂材Ｒの先端は凸形状となり、樹脂材Ｒの先端がカソード電極２３のガス拡散層２３Ｂの外周端部に接触する。したがって、図３（Ｃ）に示すように、樹脂材Ｒがカソード電極２３のガス拡散層２３Ｂ内に十分に浸透する。
【００４１】
また、ＭＥＡ製造装置２００では、カソード側金型２２０の当接面２２３は当接部２２１から突出するように構成されており、この当接面２２３によってアノード電極２２のガス拡散層２２Ｂを厚さ方向に予め圧縮する。そのため、樹脂材Ｒが電解質膜２１の上側に流れ込んでも、カソード電極２３のガス拡散層２３Ｂとカソード側金型２２０との間に隙間が生じることがない。したがって、樹脂材Ｒが、カソード電極２３のガス拡散層２３Ｂとカソード側金型２２０との間に流れ込むことが抑制される。
【００４２】
ＭＥＡ製造装置２００は、図３（Ａ）から図３（Ｃ）の過程を経て、図３（Ｄ）に示すように積層体２４の外周端部に樹脂枠２５を一体形成して、ＭＥＡ２０を製造する。
【００４３】
以上により、本実施形態のＭＥＡ製造装置２００では、下記の効果を得ることができる。
【００４４】
ＭＥＡ製造装置２００では、カソード側金型２２０の当接部２２１に成型室２４０内に突出する突出部２２７を形成し、突出部２２７によって、樹脂材Ｒの先端がアノード電極２２のガス拡散層２２Ｂに向かうように樹脂材Ｒの流動方向を制御する。これにより樹脂材Ｒがアノード電極２２のガス拡散層２２Ｂ内に十分に含浸するので、製造されたＭＥＡ２０において積層体２４と樹脂枠２５との接合強度不足を抑制することができる。
【００４５】
突出部２２７は、樹脂材の流れを阻害しないような滑らかな形状として形成されるので、成型室２４０内を流動する樹脂材Ｒの圧力損失を可能な限り抑制できる。
【００４６】
また、ＭＥＡ製造装置２００に配置される積層体２４はアノード電極２２の外形内にカソード電極２３が収まるように構成されているので、電解質膜２１の上側に流れ込んだ樹脂材Ｒの先端はカソード電極２３の外周端部に向かって流動する。これにより樹脂材Ｒがカソード電極２３のガス拡散層２３Ｂ内に十分に含浸するので、製造されたＭＥＡ２０において積層体２４と樹脂枠２５との接合強度不足を抑制することができる。
【００４７】
さらに、ＭＥＡ製造装置２００では、カソード側金型２２０の当接部２２１に形成された当接面２２３によって、予めアノード電極２２のガス拡散層２２Ｂを厚さ方向に圧縮するので、樹脂材Ｒが電解質膜２１の上側に流れ込んでも、カソード電極２３とカソード側金型２２０との間に隙間が生じることがない。これにより樹脂材Ｒがカソード電極２３のガス拡散層２３Ｂとカソード側金型２２０との間に流れ込むことが抑えられるので、カソード電極２３の発電反応面の減少に起因するＭＥＡ２０の発電効率の悪化を抑制することができる。
【００４８】
（第２実施形態）
図４は、積層体２４の積層方向における、第２実施形態のＭＥＡ製造装置２００の一部断面図である。
【００４９】
第２実施形態のＭＥＡ製造装置２００は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、アノード側金型２１０に凹部２１５を形成するようにした点において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００５０】
図４に示すように、ＭＥＡ製造装置２００では、カソード側金型２２０の突出部２２７と対向する位置において、アノード側金型２１０の当接部２１１に凹部２１５が形成される。この凹部２１５は、突出部２２７の突出高さに応じて窪むように形成される。
【００５１】
第１実施形態のＭＥＡ製造装置では、成型室２４０内を流れる樹脂材Ｒが突出部２２７を通過する時に樹脂材Ｒの圧力が高くなるので、高圧化した樹脂材Ｒが積層体２４の電解質膜２１の上側を流れた場合にアノード電極２２のガス拡散層２２Ｂが圧縮され、カソード電極２３とカソード側金型２２０との間に樹脂材Ｒが僅かに流入することも考えられる。
【００５２】
しかしながら、第２実施形態のＭＥＡ製造装置２００では、アノード側金型２１０に凹部２１５を形成するので、樹脂材Ｒが突出部２２７を通過しても、樹脂材Ｒの高圧化が抑制される。したがって、ＭＥＡ製造装置２００では、第１実施形態のＭＥＡ製造装置よりも、カソード電極２３とカソード側金型２２０との間への樹脂材Ｒの流入を抑制することができる。
【００５３】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】単セルの一部断面図である。
【図２】第１実施形態のＭＥＡ製造装置の概略構成図である。
【図３】第１実施形態のＭＥＡ製造装置での樹脂材の流動について説明する図である。
【図４】第２実施形態のＭＥＡ製造装置の一部断面図である。
【図５】従来のＭＥＡ製造装置での樹脂材の流動について説明する図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  単セル
２１  電解質膜
２２  アノード電極
２３  カソード電極
２４  積層体
２５  樹脂枠（樹脂部）
２００  ＭＥＡ製造装置
２１０  アノード側金型
２１１  当接部（アノード当接部）
２１３  当接面
２１４  成型部
２１５  凹部
２２０  カソード側金型
２２１  当接部（カソード当接部）
２２３  当接面（突出当接面）
２２４  成型部
２２７  突出部（流動制御部）
２４０  成型室
Ｒ  樹脂材
【図１】
2010123491.tif 000003
【図２】
2010123491.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010123491.tif 000007