(57)【要約】【課題】非破壊により、膜電極接合体とガス拡散層との密着力を判断可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池の製造方法であって、膜電極接合体とガス拡散層とを含む膜部材を、ダイ上からはみ出すようにダイ上に配置し、上側吸着機構を有する押圧部と、下側吸着機構を有するダイとで膜部材を上下方向から挟持して吸着した状態で、膜部材のダイからはみ出た部分を裁断部で裁断して膜部材を矩形状に形成し、矩形状に裁断された膜部材を上側吸着機構および下側吸着機構により上下方向から吸着力を加えたまま、押圧部をダイから上昇させる製造方法。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の製造方法であって、
（ａ）膜電極接合体とガス拡散層とを含む膜部材を、ダイ上からはみ出すように前記ダイ上に配置する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、上側吸着機構を有する押圧部と、下側吸着機構を有する前記ダイとで前記膜部材を上下方向から挟持して吸着した状態で、前記膜部材の前記ダイからはみ出た部分を裁断部で裁断して前記膜部材を矩形状に形成する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、矩形状に裁断された前記膜部材を前記上側吸着機構および前記下側吸着機構により上下方向から吸着力を加えたまま、前記押圧部を前記ダイから上昇させる工程と、を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、膜電極接合体の両面にガス拡散層が配置される構造を有するものが知られている。膜電極接合体とガス拡散層との密着力は、電池性能に影響を及ぼす。膜電極接合体とガス拡散層との密着力は、例えば特許文献１に記載されているように、剥離試験により判断可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２２４２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
剥離試験は破壊試験であるため、抜き取り検査によって行われる。そのため、例えば燃料電池が、膜電極接合体とガス拡散層とを含むロール状の膜部材を裁断して製造される場合、抜き取り検査で不合格と判断されると、最大で１ロール分の材料を破棄することになる。そのため、非破壊により、膜電極接合体とガス拡散層との密着力を判断可能な技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、膜電極接合体とガス拡散層とを含む膜部材の裁断において（ａ）膜電極接合体とガス拡散層とを含む膜部材を、ダイ上からはみ出すように前記ダイ上に配置する工程と（ｂ）前記工程（ａ）の後、上側吸着機構を有する押圧部と、下側吸着機構を有する前記ダイとで前記膜部材を上下方向から挟持して吸着した状態で、前記膜部材の前記ダイからはみ出た部分を裁断部で裁断して前記膜部材を矩形状に形成する工程と（ｃ）前記工程（ｂ）の後、矩形状に裁断された前記膜部材を前記上側吸着機構および前記下側吸着機構により上下方向から吸着力を加えたまま、前記押圧部を前記ダイから上昇させる工程と、を備える。この形態の燃料電池の製造方法によれば、膜部材の裁断時に押圧部とダイとで上下方向から膜部材を吸着し、その後吸着力を加えたまま押圧部を上昇させるため、非破壊により、膜電極接合体とガス拡散層との密着力を判断することができる。また、裁断後の膜部材毎に密着力の検査をすることができるため、良品の廃棄を抑制することができる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、この形態の製造方法で製造された燃料電池や、この燃料電池を含んで構成される燃料電池システム、この燃料電池を搭載する車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態における製造方法で製造される燃料電池の説明図である。
【図２】燃料電池の製造方法の一部を表わす工程図である。
【図３】膜部材の断面図である。
【図４】膜部材の裁断前の状態を示す説明図である。
【図５】膜部材の裁断時の状態を示す説明図である。
【図６】膜部材の裁断後の状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における製造方法で製造される燃料電池１００の説明図である。燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池である。燃料電池１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ））１０と、膜電極接合体１０の両面に設けられたガス拡散層２０と、これらを挟持する一対のセパレータ３０とを備える。
【００１０】
膜電極接合体１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層１２とを備える。電解質膜１１は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜１１は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層１２は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。
【００１１】
ガス拡散層２０は、それぞれ触媒層１２側の面に隣接して設けられているアノード側ガス拡散層２１とカソード側ガス拡散層２２とを含む。ガス拡散層２０は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜１１の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。この電解質膜１１、触媒層１２、ガス拡散層２０を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。
【００１２】
一対のセパレータ３０は、膜電極接合体１０とガス拡散層２０とを挟持する。セパレータ３０は例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板を凹凸形状にプレス成型することによって形成されている。
【００１３】
図２は、本実施形態における燃料電池１００の製造方法の一部を表わす工程図である。まず、電解質膜１１の両面に触媒層１２が転写されたロール状の膜電極接合体１０の一方の面にアノード側ガス拡散層２１を接合して膜部材を用意する（ステップＳ１００）。本実施形態において、ステップＳ１００により接合された膜電極接合体１０とガス拡散層２０とを含む部材を「膜部材」という。
【００１４】
図３は、膜部材４０の断面図である。膜電極接合体１０は、電解質膜１１の一方の面に電解質膜１１よりも大きさの小さい触媒層１２が形成されており、電解質膜１１の他方の面に電解質膜１１と同程度の大きさの触媒層１２が形成されている。アノード側ガス拡散層２１は、電解質膜１１と同程度の大きさであり、膜電極接合体１０の他方の面側に接合されている。なお、電解質膜１１の一方の面側の触媒層１２は、電解質膜１１と同程度の大きさであってもよい。
【００１５】
ステップＳ１００において膜部材４０を用意した後、膜部材４０をダイ上からはみ出すようにダイ上に配置し（ステップＳ１１０）、上側吸着機構を有する押圧部と、下側吸着機構を有するダイとで膜部材４０を上下方向から挟持して吸着した状態で、ダイからはみ出た部分を裁断部で裁断して膜部材４０を矩形状に形成する（ステップＳ１２０）。その後、矩形状に裁断された膜部材４０を上下方向から吸着力を加えたまま押圧部をダイから上昇させる（ステップＳ１３０）。
【００１６】
図４〜６は、膜部材４０の裁断方法の詳細を示す説明図である。図４〜６には、膜部材４０および裁断装置２００の片側のみの横断面を示している。図４は、膜部材４０の裁断前の状態を示し、図５は、膜部材４０の裁断時の状態を示し、図６は、膜部材４０の裁断後の状態を示す。
【００１７】
裁断装置２００は、上側には、膜部材４０の外周縁における切除対象である裁断部位４１を打ち抜くための裁断部１１０と、膜部材４０の非裁断部位４２の端部を鉛直方向から押圧するための押圧部１２０と、を備え、下側には、ダイ１３０と、受止部１４０とを備える。裁断部１１０は、膜部材４０の裁断部位４１と面接触する周状の底面を有している。裁断部１１０は、その底面が膜部材４０の載置面よりも下方まで瞬発的に移動することによって、膜部材４０の裁断部位４１をパンチする。なお、本実施形態において、裁断部位４１は、電解質膜１１の上側に触媒層１２が積層していない部位である。
【００１８】
押圧部１２０は、裁断部１１０に囲まれた領域内に配置されており、ダイ１３０に配置された膜部材４０に圧力を付与できるように付勢機構１２１によって付勢されている。押圧部１２０は、その上面視において、膜部材４０の非裁断部位４２が載置される載置面の外縁部とほぼ重なり合うように構成されている。押圧部１２０は、膜部材４０に接触する全面に亘って上側吸着機構１２０ａを備えている。裁断部１１０および押圧部１２０は、ともに下方に移動可能に構成されている。
【００１９】
ダイ１３０は、膜部材４０が載置される上面を有している。また、ダイ１３０は、裁断部１１０の内側の側面に対応して周状に設けられた側面であって、裁断部１１０の打ち抜き方向（上下方向）に沿って延びる側面１３１を有している。ダイ１３０は、膜部材４０に接触する全面に亘って下側吸着機構１３０ａを備えている。なお、ダイ１３０は上側吸着機構１２０ａと対向する箇所に下側吸着機構１３０ａを備えていることが好ましい。
【００２０】
本実施形態において、押圧部１２０およびダイ１３０に備えられた上側吸着機構１２０ａおよび下側吸着機構１３０ａは、例えば、ベルヌーイ方式のチャック機構である。その他、上側吸着機構１２０ａおよび下側吸着機構１３０ａとして、孔より空気を吸い出して吸着する焼結多孔体（例えば、セラミック）を用いてもよい。なお、下側吸着機構１３０ａの吸着力と、上側吸着機構１２０ａの吸着力とは異なっていることが好ましく、本実施形態では、下側吸着機構１３０ａの吸着力が上側吸着機構１２０ａの吸着力よりも大きい。
【００２１】
受止部１４０は、膜部材４０の裁断部位４１である端部が配置される上面を有している。受止部１４０は、ダイ１３０と隣り合う位置であって裁断部１１０の底面に沿って対向する位置において、上下方向に移動可能なように付勢機構１４１によって上方に付勢されている。なお、受止部１４０は、裁断部１１０の打ち抜きの際には、膜部材４０の裁断部位４１を挟んで裁断部１１０を受け止めつつ、下方に移動する。ダイ１３０の上面と、受止部１４０の上面とが、同じ高さに位置していることによって、加工対象である膜部材４０が載置される水平な載置面が形成されており、膜部材４０の載置性が確保されている。
【００２２】
まず、図２におけるステップＳ１１０では、図４に示すように、裁断装置２００の裁断部１１０と受止部１４０および、押圧部１２０とダイ１３０とが離間している初期状態において、ダイ１３０に膜部材４０が載置される。具体的には、ダイ１３０と対向しない膜部材４０の裁断部位４１が、受止部１４０の上面に位置し、ダイ１３０と対向する非裁断部位４２が、ダイ１３０の上面に位置し、ガス拡散層２０が下側になるように、膜部材４０が載置される。
【００２３】
次に、図５に示すように膜部材４０を裁断する（図２のステップＳ１２０）。具体的には、ダイ１３０と対向する膜部材４０の非裁断部位４２を押圧部１２０とダイ１３０とで挟持し、さらに上側吸着機構１２０ａと下側吸着機構１３０ａとで膜部材４０を上下方向から吸着した状態で、膜部材４０の非裁断部位４２の外周縁部を裁断部１１０で上側より裁断する。
【００２４】
裁断時には、裁断部１１０の底面が膜部材４０の裁断部位４１と面接触し、膜部材４０の裁断部位４１が裁断部１１０の底面と受止部１４０の上面とに挟持された状態となり、受止部１４０が裁断部１１０の衝突力を吸収しつつ、裁断部１１０とともにダイ１３０の載置面よりも低く沈み込むように下方に移動する。これによって、膜部材４０の裁断部位４１は裁断部１１０と受止部１４０とに挟持された状態で、膜部材４０の非裁断部位４２から離間する。このようにして、膜部材４０は、裁断部１１０とダイ１３０の互いに対向する角部によって、上側より裁断される。
【００２５】
最後に、図６に示すように、押圧部１２０を上昇させる（図２のステップＳ１３０）。本実施形態の裁断装置２００では、押圧部１２０の上側吸着機構１２０ａとダイ１３０の下側吸着機構１３０ａとにより上下方向から膜部材４０に吸着力を加えたまま、押圧部１２０を上昇させる。
【００２６】
膜電極接合体１０とガス拡散層２０の密着力が予め定めた密着力より強ければ、膜部材４０には変化がなく、ダイ１３０の下側吸着機構１３０ａに吸着されたままの状態になり、押圧部１２０のみが上昇する。膜電極接合体１０とガス拡散層２０の密着力が予め定めた密着力より弱ければ、押圧部１２０の上昇に伴って、膜電極接合体１０がガス拡散層２０より剥離する。上側吸着機構１２０ａおよび下側吸着機構１３０ａの吸着力は、それぞれ正常な膜部材４０において、押圧部１２０の上昇時に膜電極接合体１０がガス拡散層２０から剥離しない吸着力に定められている。
【００２７】
押圧部１２０を上昇させた後、膜部材４０の表面検査を行う（図２のステップＳ１４０）。表面検査は画像解析によって行うことができる。画像解析は、例えば、撮像カメラが、押圧部１２０上昇後の膜部材４０の上面の画像データを生成し、画像データから剥離箇所の有無をコンピュータによって検出することによって、膜電極接合体１０とガス拡散層２０との密着力の判断を行う。撮像時には、画像データ上において膜電極接合体１０の剥離が検出しやすくなるように、膜部材４０に照明光を照射してもよい。
【００２８】
表面検査後、表面検査によって剥離箇所が検出されなかった膜部材４０、すなわち、膜電極接合体１０とガス拡散層２０とが十分に密着している膜部材４０に対して、その上面側にカソード側ガス拡散層２２を接合する（ステップＳ１５０）。一方、表面検査によって剥離箇所が検出された膜部材４０については、廃棄する。
【００２９】
以上で説明した本実施形態の燃料電池の製造方法によれば、膜部材４０の裁断時に押圧部１２０とダイ１３０とで上下方向から膜部材４０を吸着し、その後吸着力を加えたまま押圧部１２０を上昇させるため、非破壊により、膜電極接合体１０とガス拡散層２０との密着力を判断することができる。また、裁断後の膜部材毎に密着力の検査をすることができるため、良品の廃棄を抑制することができる。
【００３０】
Ｂ．変形例：
＜第１変形例＞
上記実施形態において、下側吸着機構１３０ａの吸着力は上側吸着機構１２０ａの吸着力よりも大きい。これに対して、上側吸着機構１２０ａの吸着力を下側吸着機構１３０ａの吸着力よりも大きくして、ステップＳ１３０において、正常な膜部材４０が押圧部１２０側に吸着するようにしてもよい。
【００３１】
＜第２変形例＞
上記実施形態において、上側吸着機構１２０ａおよび下側吸着機構１３０ａは、膜部材４０に接触する全面に亘って設けられている。これに対して、上側吸着機構１２０ａおよび下側吸着機構１３０ａは、膜部材４０の外縁部や四隅など、剥離が生じやすい一部分に設けられても良い。
【００３２】
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０…膜電極接合体
１１…電解質膜
１２…触媒層
２０…ガス拡散層
２１…アノード側ガス拡散層
２２…カソード側ガス拡散層
３０…セパレータ
４０…膜部材
４１…裁断部位
４２…非裁断部位
１００…燃料電池
１１０…裁断部
１２０…押圧部
１２０ａ…上側吸着機構
１２１、１４１…付勢機構
１３０…ダイ
１３０ａ…下側吸着機構
１３１…側面
１４０…受止部
２００…裁断装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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