(57)【要約】【課題】燃料電池用膜電極接合体の製造工程において、アノードとカソードの形成位置が互いにずれてしまうことを抑制する技術を提供する。【解決手段】電極形成部１２０では、並列に搬送される２つの帯状の電解質膜１ａ，１ｃのそれぞれにアノード２ａまたはカソード２ｃを形成する。電極位置調整部１３０では、互いに対応するアノード２ａとカソード２ｃの形成位置がずれていることが検出された場合には、各電解質膜１ａ，１ｃを加熱して、その長手方向に短縮または延長する加工処理を実行し、その位置ずれを解消する。電解質膜接合部１４０では、アノード２ａおよびカソード２ｃが形成された電解質膜１ａ，１ｃが接合される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池用膜電極接合体を連続して製造する膜電極接合体製造装置であって、
帯状に伸びる第１と第２の電解質膜を長手方向に沿って並列に搬送する電解質膜搬送部と、
前記電解質膜搬送部において搬送されている前記第１と第２の電解質膜のそれぞれの一方の面に、前記長手方向に沿って直列に配列するように複数の触媒電極を形成する電極形成部と、
前記第１と第２の電解質膜のそれぞれに形成された前記複数の触媒電極のそれぞれの位置が、前記第１と第２の電解質膜において互いに対応するように、隣り合う前記触媒電極同士の間隔を調整する電極位置調整部と、
前記第１と第２の電解質膜において位置を互いに対応させた前記触媒電極同士が、前記第１と第２の電解質膜を介して互いに対向し合うように、前記第１と第２の電解質膜を、前記触媒電極が形成されていない面同士で接合する電解質膜接合部と、
を備え、
前記電極位置調整部は、
隣り合う前記触媒電極の間の電解質膜を撓ませて、撓んだ分の電解質膜同士を熱融着することにより、隣り合う前記触媒電極同士の距離を短縮する距離短縮加工部と、
隣り合う前記触媒電極同士の間の電解質膜を加熱しつつ前記長手方向に沿って引き延ばすことにより、隣り合う前記触媒電極同士の距離を延長する距離延長加工部と、
のうちの少なくとも一方を有する、膜電極接合体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は通常、膜電極接合体を備える。膜電極接合体は、電解質膜の両面にそれぞれ、燃料電池反応を促進させるための触媒を担持させたアノードおよびカソードが形成されている。膜電極接合体の製造方法としては、帯状に伸びる電解質膜をその長手方向に搬送しつつ、アノードおよびカソードを順次形成して、効率的に複数の膜電極接合体を連続して製造する方法が提案されている（下記特許文献１等参照）。
【０００３】
ところで、膜電極接合体では、所望の発電領域を確保するためにも、アノードおよびカソードの形成位置が、電極面に垂直な方向から見たときに、正確に重なり合うことが好ましい。しかし、上記のように、流れ工程によって、連続的に複数の膜電極接合体を形成する場合には、アノードおよびカソードの形成位置が互いにずれてしまう可能性が高くなる。これまで、こうした問題に対して十分な工夫がなされてこなったのが実情であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３１１０１２号公報
【特許文献２】特開２００８−５０９５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池用膜電極接合体の製造工程において、アノードとカソードの形成位置が互いにずれてしまうことを抑制する技術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、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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
複数の燃料電池用膜電極接合体を連続して製造する膜電極接合体製造装置であって、帯状に伸びる第１と第２の電解質膜を長手方向に沿って並列に搬送する電解質膜搬送部と、前記電解質膜搬送部において搬送されている前記第１と第２の電解質膜のそれぞれの一方の面に、前記長手方向に沿って直列に配列するように複数の触媒電極を形成する電極形成部と、前記第１と第２の電解質膜のそれぞれに形成された前記複数の触媒電極のそれぞれの位置が、前記第１と第２の電解質膜において互いに対応するように、隣り合う前記触媒電極同士の間隔を調整する電極位置調整部と、前記第１と第２の電解質膜において位置を互いに対応させた前記触媒電極同士が、前記第１と第２の電解質膜を介して互いに対向し合うように、前記第１と第２の電解質膜を、前記触媒電極が形成されていない面同士で接合する電解質膜接合部とを備え、前記電極位置調整部は、隣り合う前記触媒電極の間の電解質膜を撓ませて、撓んだ分の電解質膜同士を熱融着することにより、隣り合う前記触媒電極同士の距離を短縮する距離短縮加工部と、隣り合う前記触媒電極同士の間の電解質膜を加熱しつつ前記長手方向に沿って引き延ばすことにより、隣り合う前記触媒電極同士の距離を延長する距離延長加工部とのうちの少なくとも一方を有する、膜電極接合体製造装置。
この膜電極接合体製造装置によれば、流れ工程によって効率的に複数の膜電極接合体を連続して製造する場合であっても、各膜電極接合体において、電解質膜を介して互いに対向し合う電極の形成位置がずれてしまうことを抑制することができる。
【０００８】
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、燃料電池用膜電極接合体の製造方法および製造装置、燃料電池用膜電極接合体の製造装置の制御方法および制御装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した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】燃料電池の構成を説明するための概略図。
【図２】膜電極接合体製造装置の構成を示す概略図。
【図３】電極位置調整部の構成を示す概略図。
【図４】膜長調整加工装置による加工処理を説明するための模式図。
【図５】連続する複数の膜電極接合体の分離工程を説明するための模式図。
【図６】第２実施例における電極位置調整部の構成を示す概略図。
【図７】第２実施例における膜長調整加工装置による加工処理を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
A．第１実施例：
図１は、燃料電池の構成を説明するための概略図である。この燃料電池１０は、反応ガスとして水素及び酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、膜電極接合体５と、２枚のセパレータ７とを有する発電モジュールである単セルが複数個積層されたスタック構造を有する。膜電極接合体５は、電解質膜１の両面にそれぞれ、アノード２ａおよびカソード２ｃが配置された発電体である。電解質膜１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。アノード２ａおよびカソード２ｃは、例えば、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が担持されたカーボンよって構成されるガス拡散性を有する電極である。
【００１１】
セパレータ７は、導電性を有するガス不透過の板状部材によって構成され、アノード２ａまたはカソード２ｃと直接的に接触するように膜電極接合体５を両側から狭持する。なお、セパレータ７の膜電極接合体５側の面には、反応ガスのための流路溝８が形成されている。燃料電池１０は、セパレータ７の流路溝８を介してアノード２ａおよびカソード２ｃのそれぞれに反応ガスが供給され、膜電極接合体５における電気化学反応により発電する。膜電極接合体５で発電された電気は、セパレータ７を介して集電される。ここで、膜電極接合体５は、以下に説明する膜電極接合体製造装置１００によって製造することができる。
【００１２】
図２は、本発明の一実施例としての膜電極接合体製造装置１００の構成を示す概略図
である。この膜電極接合体製造装置１００では、流れ工程によって複数の膜電極接合体５を連続的に製造することが可能である。膜電極接合体製造装置１００は、複数の搬送ローラー１０１と、電解質膜供給部１１０と、電極形成部１２０と、電極位置調整部１３０と、電解質膜接合部１４０とを備える。
【００１３】
電解質膜供給部１１０は、帯状の電解質膜１ａ，１ｃ（以後、それぞれ「アノード用電解質膜１ａ」および「カソード用電解質膜１ｃ」と呼ぶ。）が巻き取られた２つのロール２０ａ，２０ｃを有している。各ロール２０ａ，２０ｃの電解質膜１ａ，１ｃは、ローラー１１１の回転駆動によって、電解質膜供給部１１０から、同一の方向に並列に送り出される。電解質膜供給部１１０から送り出された各電解質膜１ａ，１ｃは、搬送ローラー１０１の回転駆動によって、互いにほぼ同じ速度で搬送され、電極形成部１２０と、電極位置調整部１３０と、電解質膜接合部１４０とを順に通過しつつ、加工処理を施される。
【００１４】
電極形成部１２０では、搬送される各電解質膜１ａ，１ｃのそれぞれに、完成後の燃料電池１０において同一の膜電極接合体５に含まれる互いに対応するアノード２ａおよびカソード２ｃを並行して形成する。具体的には、電極形成部１２０は、水溶性溶媒または有機溶媒に触媒担持カーボンを分散させた触媒インクを、所定の幅と厚みを有するように各電解質膜１ａ，１ｃのそれぞれに同時に塗布して乾燥させ、アノード２ａおよびカソード２ｃを形成する。なお、電極形成部１２０は、他の方法によってアノード２ａおよびカソード２ｃを形成するものとしても良い。例えば、フィルム基材などに形成されたアノード２ａおよびカソード２ｃを電極形成部１２０において、各電解質膜１ａ，１ｃにホットプレスにより転写するものとしても良い。
【００１５】
このように、電極形成部１２０は、搬送される各電解質膜１ａ，１ｃに対して、互いに対応する複数組のアノード２ａおよびカソード２ｃを一定間隔で断続的に形成していく。これによって、各電解質膜１ａ，１ｃのそれぞれの一方の面には、複数のアノード２ａまたはカソード２ｃがそれぞれの長手方向（「帯方向」とも呼ぶ）に直列に配列された状態で形成される。
【００１６】
ここで、後述するように、本実施例の膜電極接合体製造装置１００では、アノード２ａおよびカソード２ｃが形成された２つの電解質膜１ａ，１ｃを接合することにより、膜電極接合体５を製造する。しかし、電解質膜１ａ，１ｃのそれぞれの搬送路において、搬送速度の誤差や、アノード２ａとカソード２ｃの形成速度の誤差などによって、互いに対応して形成されたアノード２ａとカソード２ｃの位置がずれてしまう可能性がある。そこで、本実施例の膜電極接合体製造装置１００では、電極位置調整部１３０において、電解質膜１ａ，１ｃのそれぞれの搬送路において、アノード２ａとカソード２ｃの形成位置を調整する。
【００１７】
図３は、電極位置調整部１３０の構成を示す概略図である。電極位置調整部１３０は、電解質膜１ａ，１ｃのそれぞれの搬送路ごとに、電極検出センサー１３２と、膜長調整加工装置２００とを備える。電極検出センサー１３２は、例えば、光学的センサーによって構成されており、色彩の違いから電解質膜１ａと、アノード２ａまたはカソード２ｃとの境界を検出する。なお、電極検出センサー１３２としては、光学的センサーに限らず、他の種々の物理的手段を利用したセンサーによって構成することも可能である。
【００１８】
電極位置調整部１３０は、並列に搬送されてくる互いに対応して形成されたアノード２ａとカソード２ｃの端部の検出タイミングのずれを、アノード２ａおよびカソード２ｃの位置ずれとして検出する。なお、電極位置調整部１３０は、アノード２ａおよびカソード２ｃの所定の位置に予め設けておいたマークを、電極検出センサー１３２によって検出し、アノード２ａおよびカソード２ｃの位置ずれを検出するものとしても良い。
【００１９】
電極位置調整部１３０は、アノード２ａの検出タイミングが、対応するカソード２ｃの検出タイミングより遅れた場合には、その遅延時間に応じて、当該アノード２ａと、その１つ前に形成されたアノード２ａとの間の距離を短縮させる。具体的には、これらの隣り合うアノード２ａ同士の間のアノード用電解質膜１ａの長さを、以下に説明する膜長調整加工装置２００によって短縮する加工処理を実行する。また、カソード２ｃの検出タイミングが対応するアノード２ａの検出タイミングより遅れた場合には、膜長調整加工装置２００によって、同様の加工処理がカソード用電解質膜１ｃに対して実行される。
【００２０】
膜長調整加工装置２００は、第１と第２の本体部２１０，２２０とを備える。第１と第２の本体部２１０，２２０はそれぞれ、電解質膜１ａを挟んで互いに対向する位置に配置されており、それぞれが各電解質膜１ａ，１ｃの膜面に対して垂直な方向（図３の紙面上下方向）に沿って任意に移動することが可能である。第１の本体部２１０は、電解質膜１ａ側に、２つのローラー２１１を有しており、第２の本体部２２０も、第１の本体部２１０の２つのローラー２１１と対応させた２つのローラー２２１を、電解質膜１ａ側に有している。これらローラー２１１，２２１は、駆動部（図示せず）により回転駆動させることができる。また、膜長調整加工装置２００は、第１と第２の本体部２１０，２２０をそれぞれ各電解質膜１ａ，１ｃ側へと移動させ、各電解質膜１ａ，１ｃをローラー２１１，２２１によって狭持することが可能である。
【００２１】
第１の本体部２１０には、２つのローラー２１１の間に、膜押板２１３が設けられている。膜押板２１３は、第１の本体部２１０の内部に設けられた２つのローラー２１４によって狭持されることによって保持されており、２つのローラー２１４の回転駆動により、図３の紙面下方向に向かって突出させることができる。なお、膜押板２１３を紙面下方向に沿って見たときに、膜押板２１３は、後述する第２の本体部２２０の加熱板２２２とプレス板２２３との間に位置するように設けられている。
【００２２】
一方、第２の本体部２２０には、２つのローラー２２１の間に、電熱ヒーターが内蔵された加熱板２２２と、プレス板２２３とが設けられている。加熱板２２２とプレス板２２３とは、互いに対向するように平行に配置されている。加熱板２２２は、プレス板２２３に向かって平行移動することが可能であり、これによって、加熱板２２２とプレス板２２３とは熱圧機として機能する。
【００２３】
図４（Ａ），（Ｂ）は、膜長調整加工装置２００による加工処理を説明するための模式図である。図４（Ａ），（Ｂ）では、アノード用電解質膜１ａの搬送路に設けられた膜長調整加工装置２００による加工処理を説明するが、カソード用電解質膜１ｃの搬送路に設けられている膜長調整加工装置２００においても同様の加工処理が実行される。なお、図４（Ｂ）において、加熱板２２２に付されたハッチングは、加熱板２２２が加熱処理を実行していることを表している。
【００２４】
電極位置調整部１３０は、電極検出センサー１３２によって、アノード２ａの検出タイミングの遅延を検出した場合には、搬送ローラー１０１による各電解質膜１ａ，１ｃの搬送を停止させ、膜長調整加工装置２００を稼働させる。膜長調整加工装置２００は、第１と第２の本体部２１０，２２０のローラー２１１，２２１によって、加工対象であるアノード用電解質膜１ａを狭持する（図４（Ａ））。そして、各ローラー２１１，２２１を回転させることにより、アノード用電解質膜１ａを短縮させたい分だけ撓ませる。撓んだアノード用電解質膜１ａは、第１の本体部２１０の膜押板２１３を突出させることによって、第２の本体部２２０の加熱板２２２とプレス板２２３との間に押し込まれる。
【００２５】
その後、膜長調整加工装置２００は、各ローラー２１１，２２１を停止させるとともに、膜押板２１３を第１の本体部２１０側へと戻す（図４（Ｂ））。そして、加熱板２２２による加熱処理を開始し、プレス板２２３を加熱板２２２側へと移動させて、撓んだアノード用電解質膜１ａを挟み込み、熱圧着する。なお、このときの加熱板２２２による加熱温度は、アノード用電解質膜１ａのガラス転移温度より高い温度で、当該ガラス転移温度＋５０℃以下の温度であることが好ましい。これによって、比較的短時間での熱圧着を可能とし、ローラー２２１，２２１に狭持されたアノード用電解質膜１ａの張力の制御が容易となる。
【００２６】
この膜長調整加工装置２００による加工処理によって、アノード用電解質膜１ａには、撓みが熱圧着された凸部が形成され、隣り合うアノード２ａ同士の間の距離が短縮される。電極位置調整部１３０における加工処理が完了した場合には、膜電極接合体製造装置１００は、搬送ローラー１０１による各電解質膜１ａ，１ｃの搬送を再開する。
【００２７】
電解質膜接合部１４０（図２）は、２つのホットローラー１４１を有している。電極位置調整部１３０において、アノード２ａまたはカソード２ｃの位置が調整された各電解質膜１ａ，１ｃは、電解質膜接合部１４０に並列に供給され、２つのホットローラー１４１に狭持されつつ押圧される。これによって、２つの帯状の電解質膜１ａ，１ｃは、電解質膜接合部１４０において接合され、１つの帯状の電解質膜１となる。これによって、複数の膜電極接合体５が、電解質膜１を介して連なった連続の帯状体として製造される。
【００２８】
図５は、連続する複数の膜電極接合体５の分離工程を説明するための模式図である。上記のように、膜電極接合体製造装置１００では、複数の膜電極接合体５が連続の帯状体として製造される。複数の膜電極接合体５の連続体は、電解質膜１を切断することによって分離され、それぞれが燃料電池１０（図１）の単セルに組み付けられる。なお、膜電極接合体製造装置１００において製造された複数の膜電極接合体５の連続の帯状体では、上記位置調整のための加工処理が施された部位において電解質膜１の厚みが増大している。
【００２９】
このように、本実施例の膜電極接合体製造装置１００によれば、帯状の各電解質膜１ａ，１ｃのそれぞれにおいて別々に配列して形成されたアノード２ａ，カソード２ｃの形成位置を、電解質膜１ａ，１ｃの長さを短縮する加工により位置調整することができる。従って、膜電極接合体５の製造工程において、アノード２ａとカソード２ｃの形成位置が互いにずれてしまうことを抑制することができる。
【００３０】
B．第２実施例：
図６は、本発明の第２実施例としての膜電極接合体製造装置における電極位置調整部１３０Ａの構成を示す概略図である。図６は、膜長調整加工装置２００Ａの第１の本体部２１０Ａに、膜押板２１３が設けられていない点と、第２の本体部２２０Ａにおいて、加熱板２２２およびプレス板２２３に換えて、膜加熱部２２４が設けられている点以外は、図３とほぼ同じである。なお、第２実施例における膜電極接合体製造装置の他の構成は、第１実施例の膜電極接合体製造装置１００と同様である。
【００３１】
電極位置調整部１３０Ａの第２の本体部２２０Ａに設けられた膜加熱部２２４は、第２の本体部２２０Ａの２つのローラー２２１の間において、各電解質膜１ａ，１ｃをそれぞれ加熱可能なように設けられている。膜加熱部２２４は、例えば、電熱ヒーターによって構成される。
【００３２】
図７（Ａ），（Ｂ）は、膜長調整加工装置２００Ａによる加工処理を説明するための模式図である。図７（Ａ），（Ｂ）では、アノード用電解質膜１ａの搬送路に設けられた膜長調整加工装置２００Ａによる加工処理を説明するが、カソード用電解質膜１ｃの搬送路に設けられている膜長調整加工装置２００Ａにおいても同様の加工処理が実行される。なお、図７（Ａ），（Ｂ）において、膜加熱部２２４に付されたハッチングは、膜加熱部２２４が加熱処理を実行していることを表している。
【００３３】
電極位置調整部１３０Ａは、電極検出センサー１３２によって、カソード２ｃの検出タイミングの遅延を検出した場合には、搬送ローラー１０１による各電解質膜１ａ，１ｃの搬送を停止させ、膜長調整加工装置２００Ａを稼働させる。膜長調整加工装置２００Ａは、第１と第２の本体部２１０Ａ，２２０Ａのローラー２１１，２２１によって、加工対象であるアノード用電解質膜１ａを狭持し、膜加熱部２２４による加熱処理を開始する（図７（Ａ））。
【００３４】
この加熱処理によってアノード用電解質膜１ａが軟化したときに、第１と第２の本体部２１０Ａ，２２０Ａの各ローラー２１１，２２１を回転させることにより、狭持したアノード用電解質膜１ａを延伸させる（図７（Ｂ））。この加工処理によって、アノード用電解質膜１ａが延伸された分だけ、隣り合うアノード２ａが互いに離隔される。なお、膜加熱部２２４による加熱温度は、加熱対象であるアノード用電解質膜１ａのガラス転移温度より高い温度で、当該ガラス転移温度＋５０℃以下の温度であることが好ましい。
【００３５】
このように、電極位置調整部１３０Ａでは、電極検出センサー１３２によってカソード２ｃの検出タイミングが対応するアノード２ａの検出タイミングより遅れた場合には、その遅延時間に応じて、当該アノード２ａと、その１つ前に形成されたアノード２ａとの間の距離を延長させる。なお、電極検出センサー１３２によってアノード２ａの検出タイミングが対応するカソード２ｃの検出タイミングより遅れた場合には、同様の加工処理がカソード用電解質膜１ｃに対して実行される。なお、この加工処理が施された各電解質膜１ａ，１ｃの部位は、膜加熱部２２４による局所的な加熱処理により、他の部位とは異なるプロトン伝導度を示す。
【００３６】
C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３７】
C1．変形例１：
上記第１実施例と第２実施例とでは、電極位置調整部１３０，１３０Ａがそれぞれ、膜長調整加工装置２００，２００Ａを備えていた。しかし、電極位置調整部は、膜長調整加工装置２００，２００Ａのいずれも備えているものとしても良い。即ち、膜電極接合体製造装置は、各電解質膜１ａ，１ｃを短縮する加工処理と、各電解質膜１ａ，１ｃを延長する加工処理とを、互いに対応するアノード２ａとカソード２ｃとの位置合わせのために選択的に実行できるものとしても良い。また、この場合には、２つの膜長調整加工装置２００，２００Ａは、アノード用電解質膜１ａの搬送路とカソード用電解質膜１ｃの搬送路とのうち、少なくともいずれか一方にのみ設けられていればよい。
【００３８】
C2．変形例２：
上記実施例では、膜長調整加工装置２００，２００Ａはそれぞれ、ローラー２１１，２２１を有していた。しかし、膜長調整加工装置２００，２００Ａのローラー２１１，２２１は省略されても良い。この場合に、ローラー２１１，２２１が実行していた処理を、膜電極接合体製造装置１００が備える搬送ローラー１０１によって代替的に実行させるものとしても良い。
【符号の説明】
【００３９】
１…電解質膜
１ａ…アノード用電解質膜
１ｃ…カソード用電解質膜
２ａ…アノード
２ｃ…カソード
５…膜電極接合体
７…セパレータ
８…流路溝
１０…燃料電池
２０ａ，２０ｃ…ロール
１００…膜電極接合体製造装置
１０１…搬送ローラー
１１０…電解質膜供給部
１１１…ローラー
１２０…電極形成部
１３０，１３０Ａ…電極位置調整部
１３２…電極検出センサー
１４０…電解質膜接合部
１４１…ホットローラー
２００，２００Ａ…膜長調整加工装置
２１０，２１０Ａ…第１の本体部
２１１…ローラー
２１３…膜押板
２１４…ローラー
２２０，２２０Ａ…第２の本体部
２２１…ローラー
２２２…加熱板
２２３…プレス板
２２４…膜加熱部
【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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【図７】
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