(57)【要約】【課題】燃料電池に用いられる膜電極接合体において、切断部位にバリや毛羽立ちなどの劣化が生じることを抑制できる技術を提供する。【解決手段】製造装置は、膜電極接合体の厚み方向に沿って、前記膜電極接合体を横切るように移動して、前記膜電極接合体の第１部位から第２部位を切り離す切断部と；前記第１部位と前記第２部位との切断後に前記切断部と接している前記第１部位の切断面が、前記第１部位の収縮によって、前記切断部から離間するように、前記第１部位を乾燥させる乾燥部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造装置であって、
前記膜電極接合体の厚み方向に沿って、前記膜電極接合体を横切るように移動して、前記膜電極接合体の第１部位から第２部位を切り離す切断部と、
前記第１部位と前記第２部位との切断後に前記切断部と接している前記第１部位の切断面が、前記第１部位の収縮によって、前記切断部から離間するように、前記第１部位を乾燥させる乾燥部と、
を備える、製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用膜電極接合体の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ。）は、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を発電体として備える（例えば、下記特許文献１，２等）。膜電極接合体の製造工程では、膜電極接合体を規定のサイズで切り出す場合がある（例えば、下記特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０３７０１０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１０９９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そうした膜電極接合体の裁断工程では、膜電極接合体の切断部位にバリや毛羽立ちなどの劣化が生じてしまう場合があった。
【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、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造装置が提供される。この製造装置は、前記膜電極接合体の厚み方向に沿って、前記膜電極接合体を横切るように移動して、前記膜電極接合体の第１部位から第２部位を切り離す切断部と；前記第１部位と前記第２部位との切断後に前記切断部と接している前記第１部位の切断面が、前記第１部位の収縮によって、前記切断部から離間するように、前記第１部位を乾燥させる乾燥部と；を備える。
この形態の製造装置によれば、切断部による切断後に、膜電極接合体の切断面を切断部から離間させることができるため、膜電極接合体の切断面が、切断部によって擦られて劣化してしまうことが抑制される。
【０００７】
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
【０００８】
本発明は、膜電極接合体以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、膜電極接合体の切断装置、切断方法、および、製造方法の形態で実現可能である。その他にも、電解質膜の切断方法および切断装置、燃料電池の製造方法および製造装置、その他の膜部材の切断方法および切断装置、それらの方法や装置の制御方法を実現するコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池の構成を示す概略断面図。
【図２】膜電極接合体の製造装置の構成を示す概略図。
【図３Ａ】裁断部における裁断工程を示す第１の概略図。
【図３Ｂ】裁断部における裁断工程を示す第２の概略図。
【図３Ｃ】裁断部における裁断工程を示す第３の概略図。
【図３Ｄ】裁断部における裁断工程を示す第４の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
A．実施形態：
図１を参照して、燃料電池２０の構成を説明する。その後、図２，図３Ａ〜図３Ｄを参照して、燃料電池２０が備える膜電極接合体１０の製造に用いられる本実施形態の製造装置３０の構成および動作を説明する。図１は、燃料電池２０の構成を示す概略断面図である。本実施形態の燃料電池２０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燃料電池である。
【００１１】
燃料電池２０は、膜電極接合体１０を発電体として備える。膜電極接合体１０は、電解質膜１１と、２つの電極１２，１３と、を備える。電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質樹脂の薄膜である。電解質膜１１は、含水量が多い湿潤な状態ほど膨張し、含水量が少なく乾燥しているほど収縮する性質を有する。本実施形態では、電解質膜１１を構成する電解質樹脂は、フッ素系のイオン交換樹脂である。なお、電解質膜１１は、他のイオン伝導性を有する電解質樹脂によって構成されてもよい。
【００１２】
第１電極１２および第２電極１３はそれぞれ、電解質膜１１の両面に接合されている。各電極１２，１３は、ガス拡散性を有し、発電反応を促進するための触媒粒子が担持されている導電性材料によって構成される。本実施形態では、電極１２，１３は、触媒インクを塗布した薄膜を乾燥・固化させることによって作製される。触媒インクは、導電性材料であるカーボン粒子に、触媒である白金（Ｐｔ）を担持させた粉体と溶媒とを混合させたペースト材料である。
【００１３】
本実施形態では、膜電極接合体１０をその厚み方向に沿って見たときに、第１電極１２の外周縁と電解質膜１１の外周縁とはほぼ重なり合う。また、本実施形態では、第１電極１２の方が、第２電極１３よりも電極面の面積が大きい。膜電極接合体１０をその厚み方向に見たときに、第２電極１３の外周縁は、第１電極１２の外周縁により内側に位置する。なお、膜電極接合体１０の構成は、前述の構成に限定されることはない。膜電極接合体１０では、電解質膜１１の外周縁が第１電極１２の外周縁から延出していてもよい。また、第１電極１２と第２電極１３とは、膜電極接合体１０をその厚み方向に見たときに、それぞれの外周縁同士がほぼ重なり合う構成であってもよい。
【００１４】
燃料電池２０では、膜電極接合体１０の両面にそれぞれガス拡散層１４，１５が接合されている。第１ガス拡散層１４は、第１電極１２の上に積層され、第２ガス拡散層１５は第２電極１３の上に積層されている。各ガス拡散層１４，１５は、透気性および導電性を有する部材によって構成される。本実施形態では、各ガス拡散層１４，１５は、カーボン繊維の不織布によって構成される。より具体的には、各ガス拡散層１４，１５は、カーボンペーパーによって構成される。
【００１５】
燃料電池２０は、さらに、一対のセパレータ１６を備える。一対のセパレータ１６は、上記のガス拡散層１４，１５を介して、膜電極接合体１０を、その厚み方向に挟む。各セパレータ１６は、ステンレス鋼やチタンなどの金属板によって構成される。各セパレータ１６は、カーボンを板状に成形した部材によって構成されてもよい。セパレータ１６の膜電極接合体１０側の面には、反応ガスのための流路溝１７が形成されている。燃料電池２０では、セパレータ１６の流路溝１７の代わりに、あるいは、セパレータ１６の流路溝１７に加えて、反応ガスのための流路を構成する流路部材（図示は省略）が、セパレータ１６とガス拡散層１４，１５との間に配置されてもよい。
【００１６】
膜電極接合体１０の外周縁には、シール部１８が設けられる。シール部１８は、一対のセパレータ１６に挟まれて、膜電極接合体１０の発電領域からの反応ガスの漏洩を防止するシールラインを形成する。シール部１８は、ゴムなどの樹脂材料によって構成される。
【００１７】
図２は、膜電極接合体１０の製造装置３０の構成を示す概略図である。製造装置３０は、複数個分の膜電極接合体１０が帯状に一列に連結されている帯状部材２１を、その長手方向に連続搬送し、当該帯状部材２１から、各膜電極接合体１０を切り出す。帯状部材２１には、電解質膜１１が長手方向にわたって含まれている。帯状部材２１では、電解質膜１１の一方の面が第１電極１２によって覆われている。帯状部材２１の他方の面には、複数の第２電極１３が予め決められた間隔で帯状部材２１の長手方向に配列されている。
【００１８】
本実施形態では、帯状部材２１の第１電極１２側の面は、第１ガス拡散層１４を構成する基材によって覆われている。第１ガス拡散層１４の基材は、帯状部材２１を支持する支持部材として機能する。本実施形態では、膜電極接合体１０は、第１ガス拡散層１４が接合された状態で、帯状部材２１から切り出される。なお、帯状部材２１は、第１ガス拡散層１４の基材によって支持されることなく、製造装置３０に投入されてもよい。この場合には、製造装置３０において切り出された後の各膜電極接合体１０に第１ガス拡散層１４が個別に接合される。
【００１９】
製造装置３０は、第１搬送部３１と、乾燥部３５と、裁断部４０と、運搬部５０と、第２搬送部５５と、回復部６０と、を備える。製造装置３０では、第１搬送部３１が構成する搬送路（紙面上段に図示）と第２搬送部５５が構成する搬送路（紙面下段に図示）とはそれぞれ分離している。第１搬送部３１が構成する搬送路上には、乾燥部３５および裁断部４０が設けられている。第２搬送部５５が構成する搬送路上には回復部６０が設けられている。運搬部５０は、破線矢印で図示されているように、第１搬送部３１の搬送路の下流端に位置する裁断部４０と第２搬送部５５の上流端との間を往復移動する。
【００２０】
第１搬送部３１は、複数の搬送ローラーによって構成され、製造装置３０に投入された帯状部材２１を、その長手方向に搬送する。第１搬送部３１では、帯状部材２１は、第１電極１２側を下側として搬送される。図２には、第１搬送部３１における帯状部材２１の搬送方向ＰＤａを矢印で図示してある。第１搬送部３１は、帯状部材２１を、乾燥部３５を通過させて、裁断部４０の基台４１の上まで搬送する。
【００２１】
乾燥部３５は、裁断部４０の上流側において、裁断部４０に搬入される前の帯状部材２１を乾燥させる。本実施形態では、乾燥部３５は、帯状部材２１に対して、乾燥空気や加熱空気を吹き付ける。乾燥部３５は、乾燥空気や加熱空気を吹き付けに加えて、あるいは、乾燥空気や加熱空気を吹き付けの代わりに、ヒーターによる帯状部材２１の加熱を実行してもよい。乾燥部３５によって帯状部材２１を乾燥させる理由については後述する。
【００２２】
裁断部４０は、基台４１と、切断部４２と、受止部４３と、を備える。本実施形態では、ダイとして機能する基台４１と、パンチの上型として機能する切断部４２と、パンチの下型として機能する受止部４３と、による打ち抜き加工によって、帯状部材２１から膜電極接合体１０を切り出す。
【００２３】
基台４１の上面４１ｓには、第１搬送部３１によって搬送される帯状部材２１の先端部位２１ｔが平坦に広げられた状態で配置される。上面４１ｓに配置される帯状部材２１の先端部位２１ｔは、切り出される対象となる１個分の膜電極接合体１０を含む。本実施形態では、基台４１の内部には、上面４１ｓに配置された帯状部材２１を上面４１ｓに吸着して固定する吸着機構が設けられている（図示は省略）。本実施形態では、吸着機構は、ベルヌーイ方式である。当該吸着機構は、他の方式が採用されてもよい。また、当該吸着機構は省略されてもよい。
【００２４】
切断部４２は、基台４１の上方に設置されている。切断部４２は、略四角枠状の金型であり、帯状部材２１と面接触する周状の底面４２ｔを有している。切断部４２から基台４１に向かう方向に見たときに、基台４１の上面４１ｓは、切断部４２の内周縁に囲まれた領域内に含まれる。切断部４２の内周縁と基台４１の上面４１ｓの外周縁との間には、５０μｍ以下の微小な間隔（クリアランス）が設けられている。切断部４２は、駆動機構（図示は省略）によって、基台４１に向かって瞬発的に移動する。切断部４２は、基台４１の上方の基準位置から、基台４１の上面４１ｓよりも下方の位置まで移動する。
【００２５】
受止部４３は、略四角枠状の金型であり、基台４１の上面４１ｓよりも下方において、基台４１を囲むように設置されている。受止部４３は、切断部４２の底面４２ｔと面接触する上面４３ｔを有している。受止部４３の上面４３ｔと、切断部４２の底面４２ｔとは、切断部４２の移動方向である上下方向においてほぼ重なり合う。
【００２６】
受止部４３の下側には、弾性部材４４が設けられている。弾性部材４４は、受止部４３の上面４３ｔの高さ位置が基台４１の上面４１ｓの高さ位置に揃うように、受止部４３を下方から支持する。切断部４２が下方に向かって瞬発的に移動すると、受止部４３は、切断部４２との間に帯状部材２１の一部を挟んだ状態で、切断部４２の押圧力によって下方に弾性的に移動し、第１ガス拡散層１４が接合されている膜電極接合体１０が切り出される。裁断部４０における裁断工程の詳細については後述する。
【００２７】
運搬部５０は、裁断部４０で切り出された膜電極接合体１０を、第２搬送部５５へと運搬する。運搬部５０は、裁断部４０における基台４１の上方において、切断部４２の枠内を通過して上下に移動する。運搬部５０は、基台４１上に切り出されている膜電極接合体１０を、上方から吸着して保持する。本実施形態では、運搬部５０は、ベルヌーイ方式の吸着機構によって膜電極接合体１０を吸着する。運搬部５０の吸着機構としては、他の方式が採用されてもよい。なお、本実施形態では、運搬部５０は、裁断部４０における裁断工程において、帯状部材２１を押圧して支持する支持部としても機能する（後述）。運搬部５０は、裁断部４０の上方から第２搬送部５５の上流端まで移動した後、膜電極接合体１０の吸着を解除して、第２搬送部５５の搬送路上に、膜電極接合体１０を配置する。
【００２８】
第２搬送部５５は、複数の搬送ローラーによって構成され、運搬部５０によって運搬された膜電極接合体１０を、搬送方向ＰＤｂに搬送する。回復部６０は、第２搬送部５５が構成する搬送路の途中に設けられている。回復部６０は、膜電極接合体１０に含まれる電解質膜１１の湿潤状態を、乾燥部３５を通過する前の状態へと回復させる処理を実行する。本実施形態では、回復部６０は、第２搬送部５５によって搬送されている膜電極接合体１０に対して、雰囲気湿度以上の空気を吹き付けて、電解質膜１１の含水量を増加させる。回復部６０によって膜電極接合体１０の湿潤状態を回復させる理由については後述する。
【００２９】
図３Ａ〜図３Ｄを参照して、裁断部４０における裁断工程について説明する。まず、第１工程では、上述したように、第１搬送部３１によって帯状部材２１が搬送されて、１個分の膜電極接合体１０を含む帯状部材２１の先端部位２１ｔが基台４１の上面４１ｓに配置される（図３Ａ）。以下では、帯状部材２１の先端部位２１ｔのうちで、基台４１の上面４１ｓ内に配置されている部位を、「第１部位２２」と呼び、上面４１ｓから延び出ている第１部位２２の周縁部を「第２部位２３」と呼ぶ。第１部位２２は切り出し対象となる膜電極接合体１０であり、第２部位２３は枠状の端材である。第１工程では、運搬部５０が、基台４１の上方から第１部位２２を上面４１ｓに向かって押圧する。
【００３０】
次に、第２工程では、切断部４２を、上方の基準位置から下方に向かって、第１部位２２を厚み方向に横切るように瞬発的に移動させる（図３Ｂ）。そして、切断部４２の底面４２ｔと受止部４３の上面４３ｔとの間に第２部位２３を挟ませ、第２部位２３を基台４１の上面４１ｓよりも下方に向かって移動させる。これによって、第１部位２２と第２部位２３との間にせん断力が生じ、第１部位２２と第２部位２３とが切り離される。
【００３１】
ここで、上述したように、切断前の帯状部材２１の先端部位２１ｔ（図３Ａ）は、乾燥部３５を通過しており、加熱されて、乾燥部３５を通過する前よりも温度が高い。そのため、基台４１に配置されている先端部位２１ｔでは、内部の電解質膜１１に含まれる水分が蒸発して減少している状態にある。また、先端部位２１ｔが、帯状部材２１の下流側の部位とつながったままの状態では、先端部位２１ｔに含まれる電解質膜１１の乾燥に伴う収縮変形が抑制されており、先端部位２１ｔの内部には、先端部位２１ｔを収縮させる方向への応力が生じている。
【００３２】
そのため、第２工程において、第１部位２２と第２部位２３とが切り離されると（図３Ｂ）、第１部位２２に含まれる電解質膜１１の端部が解放されて、前述した内部応力によって第１部位２２の収縮変形が開始される（図３Ｃ）。これによって、切断後に切断部４２に接していた第１部位２２の切断面２２ｔが、第１部位２２の中央側へと移動して、切断部４２から離間する。本実施形態では、第１部位２２の下側の面が第１ガス拡散層１４によって支持されているため、第１部位２２の外周端部が、上方に持ち上がるように変形して、切断部４２から離間する。
【００３３】
第３工程では、運搬部５０は、収縮した状態の第１部位２２（膜電極接合体１０）を吸着して保持し、第２搬送部５５へと運搬する（図３Ｄ）。第２搬送部５５へと搬送された膜電極接合体１０は、上述したように、回復部６０において湿潤度が高められる。これによって、膜電極接合体１０を収縮変形した状態から回復させることができる。このように、切り出された直後に、膜電極接合体１０の変形状態を回復させることによって、切り出し後に膜電極接合体１０の形状が変形したままであることに起因する膜電極接合体１０の劣化が抑制される。
【００３４】
以上のように、製造装置３０では、帯状部材２１の第１部位２２と第２部位２３とが切り離された後に、第１部位２２の収縮変形によって、第１部位２２の切断面２２ｔを、切断部４２から離間させている。そのため、裁断工程の後に、切断面２２ｔに対する切断部４２の上下方向への相対変位によって切断面２２ｔが擦られ、その際のせん断力によって、切断面２２ｔが劣化してしまうことが抑制される。特に、本実施形態では、裁断部４０での裁断工程の直前に帯状部材２１を乾燥させている。そのため、第１部位２２から第２部位２３が切り離された後、直ちに第１部位２２が収縮し、切断部４２から離間させることができ、効率的である。本実施形態では、膜電極接合体１０の切り出し後に、運搬部５０によって迅速に膜電極接合体１０を上方へと運搬することが可能になるため、膜電極接合体１０の製造効率が高められている。その他に、本実施形態の製造装置３０によれば、上記の実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。
【００３５】
本発明は、上述の実施形態や実施例、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、上記の実施形態において、裁断部４０の切断部４２は、パンチとして構成される代わりに、切削刃によって構成されてもよい。また、乾燥部３５を、切断後の第１部位２２を乾燥して収縮させるように構成してもよい。
【００３６】
その他に、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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、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ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須ではないと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】
【００３７】
１０…膜電極接合体
１１…電解質膜
１２…第１電極
１３…第２電極
１４…第１ガス拡散層
１５…第２ガス拡散層
１６…セパレータ
１７…流路溝
１８…シール部
２０…燃料電池
２１…帯状部材
２１ｔ…先端部位
２２…第１部位
２２ｔ…切断面
２３…第２部位
３０…製造装置
３１…第１搬送部
３５…乾燥部
４０…裁断部
４１…基台
４１ｓ…上面
４２…切断部
４２ｔ…底面
４３…受止部
４３ｔ…上面
４４…弾性部材
５０…運搬部
５５…第２搬送部
６０…回復部
ＰＤａ…搬送方向
ＰＤｂ…搬送方向
【図１】
2018125203.tif 000003
【図２】
2018125203.tif 000004
【図３Ａ】
2018125203.tif 000005
【図３Ｂ】
2018125203.tif 000006
【図３Ｃ】
2018125203.tif 000007
【図３Ｄ】
2018125203.tif 000008