(57)【要約】【課題】  燃料電池を短時間で良好にシールすることが可能な燃料電池成形用のシール装置およびシール方法を提供する。【解決手段】  管状のマニホールドノズル２２の内部に液状のシール剤１１を充填し、セパレータ（被塗物）６のシール剤塗布部と対向して設けられるマニホールドノズル２２のスリット２７に、表面張力によってシール剤１１を保持し、マニホールドノズル２２をセパレータ６に近接させて、シール剤１１をシール剤塗布部に転写させる燃料電池成形用のシール装置およびシール方法である。【選択図】  図６
2006228485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両面を一対のセパレータで挟持した構造の単セルが複数重ねられて形成される燃料電池の、セパレータと高分子電解質膜の間をシール剤で密封するための燃料電池成形用のシール装置であって、
前記セパレータと前記高分子電解質膜のいずれか一方である被塗物を載置して保持する載置部と、当該載置部と相対的に近接離間することが可能であり、内部に液状のシール剤が充填される管状のマニホールドノズルと、を有し、
前記マニホールドノズルは、前記被塗物のシール剤塗布部と対応する形状に屈曲し、シール剤塗布部と対向する位置にスリットが形成されており、
前記スリットの隙間は、液状のシール剤を表面張力により保持できる幅で設定されていることを特徴とする燃料電池成形用のシール装置。
【請求項２】
前記マニホールドノズルには、液状のシール剤を供給する少なくとも１つの供給部が連結されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池成形用のシール装置。
【請求項３】
前記供給部は、揚程制御により加圧を行う大気開放型の加圧タンクに連結されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池成形用のシール装置。
【請求項４】
前記マニホールドノズルには、当該マニホールドノズルの内部の空気および液状のシール剤を排出することが可能な少なくとも１つの排出部が連結されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池成形用のシール装置。
【請求項５】
高分子電解質膜の両面を一対のセパレータで挟持した構造の単セルが複数重ねられて形成される燃料電池の、セパレータと高分子電解質膜の間をシール剤で密封するための燃料電池成形用のシール方法であって、
前記セパレータと前記高分子電解質膜のいずれか一方である被塗物を載置部に載置して保持する保持工程と、前記載置部と相対的に近接離間することが可能であり、内部に液状のシール剤が充填される管状のマニホールドノズルを前記被塗物に近接させて液状のシール剤を塗布する塗布工程と、を有し、
前記塗布工程は、前記被塗物のシール剤塗布部と対応する形状に屈曲した前記マニホールドノズルの、前記塗布部と対向する位置に形成されるスリットにて、表面張力により保持される液状のシール剤を、前記被塗物に接触させることにより行うことを特徴とする燃料電池成形用のシール方法。
【請求項６】
前記マニホールドノズルへの液状のシール剤の供給は、マニホールドノズルに連結される少なくとも１つの供給部により行うことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池成形用のシール方法。
【請求項７】
前記液状のシール剤の供給は、揚程制御により加圧を行う大気開放型の加圧タンクにより行われることを特徴とする請求項６に燃料電池成形用のシール方法。
【請求項８】
前記マニホールドノズルの内部の空気は、マニホールドノズルに連結される少なくとも１つの排出部から排出されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池成形用のシール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池成形用のシール装置およびシール方法に関し、更に詳細には、燃料電池のセパレータと高分子電解質膜の間を密封するシール装置およびシール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を構成する単位燃料電池である単セルは、高分子電解質膜の両面が一対のガス拡散層で挟持され、さらにその両外面が一対のセパレータで挟持されている。このセパレータには、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却剤の流路が形成されており、これらの流路を仕切るために、ガス拡散層の外縁からはみ出す高分子電解質膜とセパレータの隙間に、液状シールを線状に塗布して硬化させる方法がある。液状シールを塗布する方法としては、例えばディスペンサを移動させながら塗布する方法（例えば、特許文献１参照）や、スクリーン印刷により塗布する方法（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００３】
しかし、ディスペンサにより塗布する方法では、ディスペンサを移動さえるために時間がかかり、またスクリーン印刷により塗布する方法では、スクリーン上の透孔から液状シールを押す出すことによってイニシャルクラックを伴う場合が多く、シール性の低下の原因となる。
【特許文献１】特開２００２−２４６０４４公報
【特許文献２】特開２００１−１９６０７８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、燃料電池を短時間で良好にシールすることが可能な燃料電池成形用のシール装置およびシール方法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】
【０００５】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池成形用のシール装置は、高分子電解質膜の両面を一対のセパレータで挟持した構造の単セルが複数重ねられて形成される燃料電池の、セパレータと高分子電解質膜の間をシール剤で密封するための燃料電池成形用のシール装置であって、前記セパレータと前記高分子電解質膜のいずれか一方である被塗物を載置して保持する載置部と、当該載置部と相対的に近接離間することが可能であり、内部に液状のシール剤が充填される管状のマニホールドノズルと、を有し、前記マニホールドノズルは、前記被塗物のシール剤塗布部と対応する形状に屈曲し、シール剤塗布部と対向する位置にスリットが形成されており、前記スリットの隙間は、液状のシール剤を表面張力により保持できる幅で設定されていることを特徴とする。
【０００６】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池成形用のシール方法は、高分子電解質膜の両面を一対のセパレータで挟持した構造の単セルが複数重ねられて形成される燃料電池の、セパレータと高分子電解質膜の間をシール剤で密封するための燃料電池成形用のシール方法であって、前記セパレータと前記高分子電解質膜のいずれか一方である被塗物を載置部に載置して保持する保持工程と、前記載置部と相対的に近接離間することが可能であり、内部に液状のシール剤が充填される管状のマニホールドノズルを前記被塗物に近接させて液状のシール剤を塗布する塗布工程と、を有し、前記塗布工程は、前記被塗物のシール剤塗布部と対応する形状に屈曲した前記マニホールドノズルの、前記塗布部と対向する位置に形成されるスリットにて、表面張力により保持される液状のシール剤を、前記被塗物に接触させることにより行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池成形用のシール装置は、被塗物のシール剤塗布部と対応する形状に管状のマニホールドノズルに、シール剤塗布部と対向してスリットが形成されているため、シール剤を被塗物へ一度に塗布することができる。
【０００８】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池成形用のシール方法は、被塗物のシール剤塗布部と対応する形状に屈曲した前記マニホールドノズルの、塗布部と対向する位置に形成されるスリットにて表面張力により保持される液状のシール剤を、被塗物に接触させることにより行うため、シール剤を被塗物へ一度に塗布することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
図１は燃料電池を示す全体斜視図、図２は本実施形態に係る燃料電池の単セルを示す要部断面図である。
【００１１】
一般に燃料電池１は、図１に示すように、起電力を生じる単位電池としての単セル２を所定数積層した形態であり、例えば、自動車の駆動源として使用される。
【００１２】
単セル２は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができるデバイスであり、図２に示すように、高分子電解質膜４、ガス拡散層５Ａ，５Ｂおよびセパレータ６Ａ，６Ｂを有している。高分子電解質膜４は、固体高分子膜の両面に、触媒層が形成された電極を配置して形成される。ガス拡散層５Ａ，５Ｂは、高分子電解質膜４の両面に配置され、セパレータ６Ａ，６Ｂは、ガス拡散層５Ａ，５Ｂの外面に配置される。
【００１３】
セパレータ６Ａには、ガス拡散層５Ａと接する面に酸化剤ガス（酸素）を流通させるための酸化剤ガス流路７が形成され、その反対面には冷却水を流通させるための冷却水流路８が形成されている。セパレータ６Ｂには、ガス拡散層５Ｂと接する面に燃料ガス（水素）を流通させるための燃料ガス流路９が形成され、その反対面には冷却水を流通させるための冷却水流路１０が形成されている。
【００１４】
高分子電解質膜４とセパレータ６Ａ，６Ｂの間には、シール剤１１が設けられ、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の漏洩を防止している。
【００１５】
シール剤１１は、例えばエポキシ樹脂系の熱硬化型樹脂であり、塗布前は液状であるが、高分子電解質膜４またはセパレータ６Ａ，６Ｂに塗布された後に、高分子電解質膜４とセパレータ６Ａ，６Ｂを重ね合わせて加熱されて硬化する。
【００１６】
シール剤１１を塗布する方法として、ディスペンサロボットを移動させながら塗布する方法や、スクリーン印刷による方法が一般的に行われている。
【００１７】
しかし、ディスペンサロボットによる方法では、ディスペンサロボットの移動速度が最大でも２００ｍｍ／ｓ程度であり、タクトタイムが増大するという問題がある。また、ディスペンサロボットによる塗布工程内で、塗布されるシール剤１１の始点部、終点部および屈曲部等の非定常部に塗布する必要があるため、ディスペンサロボットの制御が難しく、シール剤１１の塗布量を均一にすることが困難であり、したがってシール不良が生じ易いという問題がある。
【００１８】
前述のスクリーン印刷により塗布方法は、透孔を有するスクリーンマスク上にシール剤１１を載せ、この透孔からシール剤１１を押し出すことにより透孔の位置に合致してシール剤１１を塗布する方法であるが、この方法では、透孔から押し出されたシール剤１１が再び合流して一体となるため、塗布されたシール剤１１にイニシャルクラックが多数発生する。このイニシャルクラックは、シール性低下の要因となる。また、シール剤１１がスクリーンマスク上で乾燥しやすいため、乾燥異物が発生し易く、乾燥防止のための管理が問題となる。
【００１９】
次に、本実施形態に係るシール装置を説明する。
【００２０】
図３は本実施形態に係るシール装置を示す側面図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿うシール装置の平面図、図５は本実施形態に係るシール装置のマニホールドノズルを示す斜視図である。
【００２１】
図３に示すように、シール装置２０は、セパレータ６を上面に設置可能な載置部２１と、セパレータ６に対して進退動可能なマニホールドノズル２２と、を有している。
【００２２】
マニホールドノズル２２は、外枠２３に固定されるアクチュエータ２４に連結されており、セパレータ６に対して進退動できる。
【００２３】
マニホールドノズル２２は、図４，５に示すように枠状に形成された管状部材であり、シール剤１１を供給する複数の供給管２５と、マニホールドノズル２２の内部の空気を排出するための複数の排出管２６とが連結されている。
【００２４】
マニホールドノズル２２のセパレータ６と対向する部位には、図３に示すように、セパレータ６のシール剤１１を塗布する位置（シール剤塗布部）に対応してスリット２７が設けられている。
【００２５】
供給管２５は、大気開放型の加圧タンク２８に連結されており、シール剤１１の供給圧の制御は加圧タンク２８の揚程制御により行われる。
【００２６】
排出管２６は、止め弁２９を介して排出タンク３０に連結されており、マニホールドノズル２２にシール剤１１を充填する際に、マニホールドノズル２２の内部の空気が排出管２６を通って排出タンク３０に排出される。このとき、余剰のシール剤１１も同時に排出タンク３０に排出される。
【００２７】
シール剤１１の粘度は数１００ｃｐ程度であり、スリット２７の幅は、シール剤１１の粘度に応じて適宜１００μｍ〜５００μｍ程度に設定されて、シール剤１１がスリット２７の表面張力により保持される。
【００２８】
次に、シール装置２０によるシール剤１１の塗布方法を説明する。
【００２９】
図６は本実施形態に係るシール方法のシール工程を示すマニホールドノズルの断面図であり、（Ａ）はシール剤塗布前、（Ｂ）はシール剤塗布の際、（Ｃ）はシール剤塗布後を示す。
【００３０】
初めに、マニホールドノズル２２に供給管２５からシール剤１１を供給し、マニホールドノズル２２の内部にシール剤１１を充填する。この際に、マニホールドノズル２２の内部の空気は、余剰のシール剤１１と共に、開いた状態の止め弁２９を介して排出管２６から排出タンク３０へ排出される。このとき、スリット２７ではシール剤１１が表面張力により保持されるため、シール剤１１がスリット２７から排出されることはない。
【００３１】
排出管２６から排出タンク３０に排出された余剰のシール剤１１は、加圧タンク２８に回収されて再利用でき、シール剤１１のロスを防止することができる。
【００３２】
マニホールドノズル２２の内部が完全にシール剤１１で満たされた後、止め弁２９を閉めてマニホールドノズル２２の準備が完了する（図６（Ａ）参照）。シール剤１１の充填が完了すると、マニホールドノズル２２の内部のシール剤１１には流速が発生していないため、シール剤１１の圧力がほぼ均一となる。
【００３３】
次に、載置部２１の上にセパレータ６を配置して固定し、スリット２７内のシール剤１１がセパレータ６と接するまでマニホールドノズル２２を下降させる（図６（Ｂ）参照）。
【００３４】
スリット２７内のシール剤１１がセパレータ６と接すると、シール剤１１が毛細管現象によってセパレータ６に転写される。シール剤１１がセパレータ６に転写された後、マニホールドノズル２２を再び上昇させる（図５（Ｃ）参照）。
【００３５】
シール剤１１を転写する際には、シール剤１１には圧力勾配がほとんど存在しないために、シール剤１１をセパレータ６へ均一に転写することができる。
【００３６】
シール剤１１の圧力を均一にするには、マニホールドノズル２２の管径が大きい程好ましい。また、供給管２５と排出管２６を複数設けることにより、シール剤１１の圧力を均一化することができる。
【００３７】
また、排出管２６によりマニホールドノズル２２内から空気が良好に排出されるため、クラックの原因となるエア噛みを削減することができる。
【００３８】
セパレータ６にシール剤１１が塗布されてマニホールドノズル２２内のシール剤１１が減少すると、大気開放型の加圧タンク２８からシール剤１１が供給され、次のセパレータ６にシール剤１１を塗布するための準備が完了する。
【００３９】
加圧タンク２８は大気開放型であるため、加圧タンク２８からシール剤１１が供給される際に負圧が発生せず、圧力制御を容易に行うことができる。
【００４０】
シール剤１１の塗布が完了すると、セパレータ６を載置部２１から取り外し、高分子電解質膜４と重ね合わせて加熱され、シール剤１１が硬化されてシール工程が終了する。
【００４１】
このように、本実施形態に係るシール装置およびシール方法によれば、マニホールドノズル２２を用いることにより、ディスペンサロボットのようにノズルを移動させながらシール剤を塗布する必要が無いため、短時間でシールすることができる。また、ディスペンサロボットのように塗布する位置によりノズルを制御する必要がなく、シール剤塗布部の全体へ、望ましい量のシール剤を良好に塗布することができる。また、スクリーン印刷による方法と異なり、シール剤がマニホールドノズル２２内に保管されているため乾燥し難く、管理が容易である。
【００４２】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、本実施形態ではセパレータ６にシール剤１１を塗布しているが、高分子電解質膜４に塗布しても良い。また、マニホールドノズル２２が載置部２１に対して進退動しているが、相対的に離間可能であれば良く、例えば載置部２１を進退動させたり、またはマニホールドノズル２２と載置部２１の両方を進退動させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】燃料電池を示す全体斜視図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池の単セルを示す要部断面図である。
【図３】本実施形態に係るシール装置を示す側面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿うシール装置の平面図である。
【図５】本実施形態に係るシール装置のマニホールドノズルを示す斜視図である。
【図６】本実施形態に係るシール方法のシール工程を示すマニホールドノズルの断面図であり、（Ａ）はシール剤塗布前、（Ｂ）はシール剤塗布の際、（Ｃ）はシール剤塗布後を示す。
【符号の説明】
【００４４】
１    燃料電池、
２    単セル、
４    膜電極接合体、
５Ａ，５Ｂ    ガス拡散層、
６Ａ，６Ｂ    セパレータ（被塗物）、
１１    シール剤、
２０    シール装置、
２１    載置部、
２２    マニホールドノズル、
２３    外枠、
２４    アクチュエータ、
２５    供給管、
２６    排出管、
２７    スリット、
２８    加圧タンク、
２９    止め弁、
３０    排出タンク。
【図１】
2006228485.tif 000003
【図２】
2006228485.tif 000004
【図３】
2006228485.tif 000005
【図４】
2006228485.tif 000006
【図５】
2006228485.tif 000007
【図６】
2006228485.tif 000008