(57)【要約】      （修正有）【課題】固体電解質膜と触媒電極層とが接合される領域である接合領域に接合圧力を均一に付加することが可能な燃料電池の製造装置を提供。【解決手段】固体電解質膜表面１の触媒電極層３が接合する領域である接合領域１０に触媒電極層を熱圧着するために用いられるプレス治具５を有する燃料電池の製造装置であって、プレス治具は、固体電解質膜を固定するための２枚の固定板８、固定板間に圧力を加えるための圧力手段９を有する固定治具２と、固定治具に固定された固体電解質膜表面に記触媒電極層をプレスする一対の押圧治具４とを有し、固定板は、固定治具により固体電解質膜を固定した際、接合領域に相当する領域に開口部１１を有し、押圧治具は、開口部に嵌合する押圧部１２と、押圧部に受圧部１３とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜表面の触媒電極層が接合する領域である接合領域に前記触媒電極層を熱圧着するために用いられるプレス治具を有する燃料電池の製造装置であって、
前記プレス治具は、前記固体電解質膜を固定するための２枚の固定板、および前記２枚の固定板間に圧力を加えるための圧力手段を有する固定治具と、前記固定治具に固定された前記固体電解質膜表面に前記触媒電極層をプレスする一対の押圧治具とを有し、
前記固定板は、前記固定治具により前記固体電解質膜を固定した際、前記接合領域に相当する領域に開口部を有し、前記押圧治具は、前記開口部に嵌合する押圧部と、前記押圧部に加える圧力を受ける受圧部とを有することを特徴とする燃料電池の製造装置。
【請求項２】
前記一対の押圧治具のそれぞれの受圧部に圧力を加える一対のプレス機板が配置されたプレス機をさらに有し、前記プレス機板と前記受圧部との間には板状の弾性体が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造装置。
【請求項３】
前記受圧部の圧力を受ける面である受圧面の面積が、前記押圧部の押圧する面である押圧面の面積より大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造に用いられる燃料電池の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の平板構造の固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層およびガス拡散層が接合されている膜電極複合体を有する。上記膜電極複合体の外側には通常はガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００３】
このような燃料電池は、上記各構成部材を積層して接合することにより製造されるのが一般的である。例えば、上記固体電解質膜の両側に触媒電極層を接合する際は、触媒電極層／固体電解質膜／触媒電極層の積層体に熱および圧力を付加する熱圧着法が用いられる。上記熱圧着法においては、プレス機板の圧力を均一に積層体へ付加するために、加熱されたプレス機板と接合される積層体との間に弾性ゴムを介在させるのが一般的である。
【０００４】
上記固体電解質膜の両側に触媒電極層を接合する場合、通常は触媒電極層よりも大きな固体電解質膜が用いられ、固体電解質膜が触媒電極層と接合される領域である接合領域の外周に、触媒電極層とは接合されない領域である非接合領域が形成される。一定以上の厚みを有する固体電解質膜はガスを遮断するため、上記非接合領域は通常上記積層体をセパレータなどの他の燃料電池構成部材やガス供給路などと接合する際にガスシールとして用いられる。
【０００５】
上記弾性ゴムを用いて熱圧着法により固体電解質膜と触媒電極層との接合を行なった場合、上記接合領域のみならず上記非接合領域にも圧力が付加され、上記非接合領域が薄膜化されてしまうことがある。また、非接合領域は、触媒電極層が積層されている接合領域よりも膜厚が薄いため、熱圧着の際に適切な圧力が付加されないことがあり、このような場合は圧力が付加されなかった箇所が熱により収縮し、シワが発生する場合がある。上記非接合領域が薄膜化され、またはシワが発生すると、この領域は所望のガス遮断性が維持できなくなり、後にガスシールとして用いられた際にガス漏れなどの不具合の原因となる。一方、上記薄膜化を防止するために上記接合領域と同じ大きさの弾性ゴムを用いて接合を行うと、弾性ゴムの外周付近では弾性ゴムに付加された圧力が外側へ分散するため接合領域の外周付近へ付加される圧力が不足し、十分に接合できないなどの不具合が発生する。
【０００６】
特許文献１には、熱圧着機の押圧面上に、金属製プレス板／弾性ゴム／離形剤シート／電極／イオン交換膜／電極／離形剤シート／弾性ゴム／金属製プレス板を順に積層して熱圧着し、圧力が付加された状態のまま積層体を１００℃以下まで冷却する燃料電池の製造方法が開示されている。この方法においては上記積層体に圧力が付加された状態のまま冷却しているため、非接合領域の圧力が付加された箇所の熱による収縮は抑制できるかもしれないが、上記非接合領域が薄膜化される可能性がある。また、接合領域と非接合領域との境界部分では膜厚差があるため、境界部分の非接合領域側には上記弾性ゴムを介した圧力が付加されないため、熱圧着の際の熱によるシワが発生する可能性がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３６８６２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、固体電解質膜の、触媒電極層と接合されない領域である非接合領域の薄膜化やシワの発生を伴うことなく、固体電解質膜と触媒電極層とが接合される領域である接合領域に接合圧力を均一に付加することが可能な燃料電池の製造装置を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、固体電解質膜表面の触媒電極層が接合する領域である接合領域に上記触媒電極層を熱圧着するために用いられるプレス治具を有する燃料電池の製造装置であって、上記プレス治具は、上記固体電解質膜を固定するための２枚の固定板、および上記２枚の固定板間に圧力を加えるための圧力手段を有する固定治具と、上記固定治具に固定された上記固体電解質膜表面に上記触媒電極層をプレスする一対の押圧治具とを有し、上記固定板は、上記固定治具により上記固体電解質膜を固定した際、上記接合領域に相当する領域に開口部を有し、上記押圧治具は、上記開口部に嵌合する押圧部と、上記押圧部に加える圧力を受ける受圧部とを有することを特徴とする燃料電池の製造装置を提供する。
【００１０】
本発明の燃料電池の製造装置においては、固体電解質膜表面の触媒電極層が接合されない領域（以下、このような領域を非接合領域と称する場合がある。）は適切な圧力が付加された状態で固定治具により固定されているため、接合の際に付加される熱や圧力による該領域の薄膜化やシワの発生などの不具合を防止することができる。また触媒電極層に圧力が付加される際、押圧治具の押圧部と、固体電解質膜の接合領域に接合される触媒電極層とは上記固定板の開口部の側面に囲まれているため、付加された圧力が外部に分散することを防止することができ、接合領域全体に均一に圧力を付加することができる。
【００１１】
本発明においては、上記一対の押圧治具のそれぞれの受圧部に圧力を加える一対のプレス機板が配置されたプレス機をさらに有し、上記プレス機板と上記受圧部との間には板状の弾性体が配置されていることが好ましい。従来用いられてきたプレス機を用いることにより、本発明の燃料電池の製造装置を低コストで製造することができる。また、上記板状の弾性体を配置することにより、上記プレス機板からの圧力を均一に押圧治具に付加することができる。
【００１２】
また、本発明においては、上記受圧部の圧力を受ける面である受圧面の面積が、上記押圧部の押圧する面である押圧面の面積より大きいことが好ましい。大きい面積の上記受圧面を介して上記押圧治具に熱や圧力を付加することにより、上記押圧面から触媒電極層および固体電解質膜の接合領域へ熱や圧力を均一に付加することができるからである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池の製造装置は、固体電解質膜の非接合領域の薄膜化やシワの発生を伴うことなく、接合領域に接合圧力を均一に付加することが可能であるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の燃料電池の製造装置について、図を用いて説明する。
図１は、本発明の燃料電池の製造装置の一例を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明の燃料電池の製造装置は、固体電解質膜１を固定する固定治具２と、上記固体電解質膜１表面に触媒電極層３をプレスする一対の押圧治具４とから構成されるプレス治具５を有する。上記固定治具２は、離形剤シート７を介して触媒電極層３とは接合されない領域である固体電解質膜１の非接合領域６を固定する２枚の固定板８と、上記２枚の固定板８間に固体電解質膜１を固定する程度の圧力を加えるためのねじ止め部（圧力手段）９とを有する。上記固定板８は、上記固定治具２により上記固体電解質膜１を固定した際、触媒電極層３が接合される領域である固体電解質膜１の接合領域１０に相当する領域に開口部１１を有する。
【００１５】
また、上記押圧治具４は、上記開口部１１に嵌合する押圧部１２と、上記押圧部１２に加える圧力を受ける受圧部１３とを有する。上記押圧治具４は、上記受圧部１３の受圧面１４を介してプレス機などのプレス機板１５から圧力を受け、上記押圧部１２の押圧面１６を介して、上記開口部１１内に配置された触媒電極層３に圧力を加える。上記固定治具２は一対の押圧治具４により狭持されており、上記押圧治具４は、板状の弾性体１７および金属板１８を介してプレス機板１５により狭持されている。
なお、図１においては、説明の簡便性のため、製造装置の各構成部材や接合される固体電解質膜１および触媒電極層３は互いに接触していないように描かれているが、上記製造装置により固体電解質膜１と触媒電極層３との熱圧着を実際に行う場合は、上記２枚の固定板８の間隙は上記固体電解質膜１の非接合領域６、離形剤シート７、および固定板８が互いに密着し、上記非接合領域６に所望の圧力が加えられるようにねじ止め部（圧力手段）９により調整され、上記接合領域１０表面上、すなわち開口部１１内に触媒電極層３が配置され、押圧治具４、弾性体１７、金属板１８、およびプレス機板１５が互いに密着した状態となる。
【００１６】
本発明の燃料電池の製造装置においては、図１に例示するように、適切な圧力が付加された状態で固体電解質膜の非接合領域が固定治具により固定されているため、熱圧着の際の熱や圧力による上記非接合領域の薄膜化やシワの発生を防止することができる。また、本発明の燃料電池の製造装置においては、押圧治具の押圧面、固定治具の開口部、および上記開口部内に配置される触媒電極層は、膜厚に垂直な方向の断面形状および大きさがほぼ同じであり、押圧部の側面および触媒電極層の側面は開口部の側面と隣接している。そのため、熱圧着の際に触媒電極層の側面が外側に向かって変形する等、触媒電極層の外周付近での押圧面からの圧力の分散を防止することができ、触媒電極層の全体に均一に接合圧力を付加することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池の製造装置に用いられるプレス治具は、固体電解質膜に、触媒電極層を熱圧着する際に用いることができる。この際、上記押圧面は、直接触媒電極層を押圧してもよいが、例えば拡散層の一方の面に触媒電極層が形成された複合体を形成し、拡散層の触媒電極層が形成されていない面を上記押圧面が押圧し、固体電解質膜に触媒電極層を熱圧着する態様であってもよい。
以下、このような本発明の燃料電池の製造装置を構成する各部材について、それぞれ分けて説明する。
【００１８】
１．プレス治具
本発明の燃料電池の製造装置に用いられるプレス治具は、固体電解質膜を固定するための固定治具と、上記固定治具に固定された固体電解質膜表面に触媒電極層をプレスする一対の押圧治具とを有する。
以下、このようなプレス治具を構成する固定治具および押圧治具について詳細に説明する。
【００１９】
（１）固定治具
本発明の燃料電池の製造装置に用いられる固定治具は、固体電解質膜を固定するための２枚の固定板と、上記２枚の固定板間に圧力を加えるための圧力手段とを有する。
本発明に用いられる固定板は、上記接合領域に相当する領域に開口部を有しているものであれば特に限定されるものではなく、上記固体電解質膜の非接合領域を所望の圧力をもって固定することができる程度の剛性を有し、熱圧着の際に高温の押圧治具からの熱や圧力を受けることがあるため、耐熱性、耐圧性、硬度等を有する材料で形成され、表面が平滑なものであれば特に限定されるものではない。具体的には、中央に開口部を有する鋼板等が好適に用いられる。
【００２０】
上記固定板は、固体電解質膜を狭持して固定した際、上記非接合領域のみが固定板により固定され、上記接合領域上には固定板の開口部が位置する。そして、上記固体電解質膜の接合領域表面上、すなわち、上記固定板の開口部内に上記接合領域と接合される触媒電極層が配置される。そのため開口部の形状は、接合領域に接合される触媒電極層の形状に合わせて、触媒電極層の形状と同様の形状に形成される。
この際、開口部内に触媒電極層を配置した状態で、上記触媒電極層の周囲には１０〜１０００μｍの範囲内、中でも５０〜５００μｍの範囲内の空隙が設けられていることが好ましい。空隙が上記範囲に満たない、すなわち、開口部の大きさと触媒電極層の大きさが全く同じ、または触媒電極層の方が開口部よりも大きいと、開口部の側面と触媒電極層の側面との間に過剰な接触摩擦等が生じたり、触媒電極層にしわが生じたりするなどの不具合が発生する場合がある。一方、空隙が上記範囲を超える、すなわち、開口部の大きさよりも触媒電極層が大幅に小さいと、後述する押圧治具の押圧部により触媒電極層がプレスされた際に、触媒電極層の外周部に付加された圧力が触媒電極層の外側に分散し、触媒電極層に均一に圧力が付加されないなどの不具合が発生する場合がある。
【００２１】
本発明に用いられる圧力手段は、上記２枚の固定板間に所望の圧力を加え、固定板により固体電解質膜が所定の圧力で固定できるものであれば特に限定されるものではない。具体的には２枚の固定板にねじを螺合させ、ねじを回すことにより２枚の固定板の間隙を調整することができるように形成されたねじ止め部や、２枚の固定板を外側からばねにより固定するばね止め部等を用いることができる。
【００２２】
上述したような固定治具を用いて固体電解質膜を固定する際、上記固体電解質膜の非接合領域の上下面は、上記固定治具の固定板と密着する。このような状態で固定治具に熱や圧力が付加されると上記固定板と非接合領域とが癒着し、両者の分離が困難になる場合がある。このような不具合を防止するため、上記非接合領域は離形シート等の非接合領域と固定板との分離を容易にする離形手段を介して固定板により狭持されることが好ましい。
【００２３】
（２）押圧治具
本発明に用いられる一対の押圧治具は、上記開口部に嵌合する押圧部と、上記押圧部に加える圧力を受ける受圧部とを有するものであれば特に限定されるものではない。このような一対の押圧治具は、上記押圧部が上記固定治具側であり、上記受圧部が外側になるように上記固定治具を狭持するように配置される。
【００２４】
本発明に用いられる押圧治具の押圧部は、上記固定板の開口部に嵌合しており、押圧する面である押圧面を介して上記固定板の開口部内に配置された触媒電極層をプレスする。したがって、上記押圧部の形状は上述した開口部と同様な形状に形成される。
この際、押圧部と上記固定板の開口部との間には、押圧部が開口部内を移動可能な程度の空隙が設けられていることが好ましい。上記空隙の大きさは特に限定されるものではないが、１０〜５００μｍの範囲内、中でも２０〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。空隙が上記範囲に満たないと、押圧部が開口部内を移動する際に過剰な摩擦が生じる可能性がある。一方、空隙が上記範囲を超える、すなわち、押圧部の大きさが開口部の大きさよりも大幅に小さいと、上記押圧部が開口部内に配置された触媒電極層をプレスする際に均一に圧力を付加することができない可能性が生じるからである。
上記押圧部の触媒電極層を押圧する面である押圧面は、通常平面状に形成されており、その表面は押圧の均一性を確保するために、中心点平均あらさが０．１０以下、中でも０．０５以下となるように、および／または、平面度公差が０．０１以下、中でも０．００３以下となるように形成されていてもよい。
【００２５】
また、本発明に用いられる押圧治具の受圧部は、その端面である受圧面でプレス機等からの圧力を受けることができ、受けた圧力を押圧部に伝達できる形状であれば特に限定されるものではない。また受圧面は、プレス機等から均一に圧力が受けられるように通常平面状に形成される。
本発明において、上記受圧面の面積は、上記押圧面の面積よりも大きいことが好ましい。押圧面でより均一に触媒電極層を押圧することが可能となるからである。この際の押圧面と受圧面との面積の比率等は特に限定されるものではないが、押圧面の面積：受圧面の面積が１０：１〜２：１の範囲内、中でも５：１〜３：１の範囲内であることが好ましい。より大きな面積の受圧面を介してプレス機板等から熱および圧力を受け、小さい面積の押圧面へ上記熱および圧力を伝達することにより、より安定的および均一に触媒電極層へ熱および圧力を伝達することができるからである。また、この範囲内とすることにより、受圧面が圧力を受ける際に生じるブレ等の、押圧面への影響を抑制することができるからである。
【００２６】
２．その他の構成部材
本発明の燃料電池の製造装置は、上記プレス治具の他に、上記押圧治具のそれぞれの受圧面に圧力を加えることができる一対のプレス機板が配設されたプレス機をさらに有していることが好ましい。上記プレス治具を、通常用いられるプレス機によってプレスすることにより、既存の設備を有効に用いることができ、低いコストにおいて本発明特有の効果を得ることができる。
【００２７】
また、プレス機板と上記受圧部との間には、板状の弾性体が配置されていることが好ましい。上記弾性体を介してプレス治具をプレスすることにより、上記プレス機板の表面の圧力の偏り等に影響されることなく、プレス機板からの圧力を上記押圧治具の受圧面に均一に付加することができる。この際に用いる弾性体は特に限定されるものではなく、耐熱性の弾性ゴム等通常のプレス機板によるプレスに用いられるものを用いることができる。
【００２８】
さらに、上記弾性体と上記プレス機板との間には銅板等の金属板など、弾性体のプレス機板への付着を防止する部材が用いられることが好ましい。これにより、連続的に複数回の熱圧着作業を行う場合の作業性を大幅に向上させることができる。
【００２９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００３０】
［実施例］
以下に実施例および比較例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
白金担持炭素粉（白金担持率：３０％、担体：バルカン）、水、エタノール、電解質溶液（ナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）溶液）を超音波攪拌にて混合し、触媒溶液を調製した。上記触媒溶液をカーボンペーパー（東レＴＧＰ０６０）上に白金担持率が０．１５ｍｇ／ｃｍ２になるようにスプレー装置を用いて塗布し、アノード側の電極（触媒電極層およびガス拡散層）を製造した。次に、触媒溶液に白金担持炭素粉（白金担持率：６０％、担体：ケッチェン）を用いたこと、および上記触媒溶液を白金担持率が０．４ｍｇ／ｃｍ２になるように塗布したこと以外は上記アノード側の電極と同様にカソード側の電極（触媒電極層および拡散層）を製造した。上記アノード側およびカソード側の電極を、それぞれ１３ｃｍ２の正方形に切り出し、以下の実験に用いた。
【００３１】
図１に示す燃料電池の製造装置を用い、以下のように固体電解質膜と上記電極との熱圧着を行った。始めに、固定板の内側に離形用シート（テフロン（登録商標）シート）をひき、固体電解質膜を挟み込んでねじ止めし、固体電解質膜の非接合領域を固定した。次に、プレス機板（天板）／銅板／弾性ゴム（シリコンゴム）／押圧治具／アノード側電極／固体電解質膜（固定治具）／カソード側電極／押圧治具／弾性ゴム（シリコンゴム）／銅板／プレス機板（底板）の順番で配置し、面圧：１０ＭＰaおよび温度：１２０℃の熱プレスの条件で熱圧着して膜電極複合体を製造した。この際、銅板はシリコンゴムのプレス機板への付着を防止し、作業性を向上させるために使用した。
【００３２】
得られた膜電極複合体からガス拡散層を剥離して、固体電解質膜と触媒電極層との接合状態を確認したところ、全体的に均一な状態での接着性が観察された。
【００３３】
［比較例］
上記実施例と同じ固体電解質膜、触媒電極層、およびガス拡散層を用い、以下のように固体電解質膜と上記電極との熱圧着を行った。始めに、膜固定治具の内側に離形用シート（テフロン（登録商標）シート）をひき、固体電解質膜を挟み込んでねじ止めし、固体電解質膜の非接合領域を固定した。次に、プレス機板（天板）／押圧治具／弾性ゴム（シリコンゴム）／離形用シート（テフロン（登録商標）シート）／アノード側電極／固体電解質膜／カソード側電極／離形用シート（テフロン（登録商標）シート）／弾性ゴム（シリコンゴム）／押圧治具／プレス機板（底板）の順番で配置し、上記実施例と同様の熱プレスの条件（面圧：１０ＭＰa、温度：１２０℃）で熱圧着して膜電極複合体を製造した。
【００３４】
得られた膜電極複合体からガス拡散層を剥離して、固体電解質膜と触媒電極層との接合状態を確認した。上記実施例と同様の熱プレスの条件で熱プレスを行ったにもかかわらず、接合領域中央部には固体電解質膜が変形した圧過剰領域が存在した。これは、設定された圧力以上の圧力が付加されていることを示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の燃料電池の製造装置の構成の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  …  固体電解質膜
２  …  固定治具
３  …  触媒電極層
４  …  押圧治具
５  …  プレス治具
８  …  固定板
９  …  圧力手段
１０  …  接合領域
１１  …  開口部
１２  …  押圧部
１３  …  受圧部
１４  …  受圧面
１５  …  プレス機板
１６  …  押圧面
１７  …  弾性体
【図１】
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