(57)【要約】【課題】電解質膜等の膜の接合において、剥がれにくい接合を実現する。【解決手段】電解質膜２００の片面に拡散層３００を接合する接合装置であって、電解質膜２００と拡散層３００とを挟んで加圧して接合する複数の接合ローラ対を備え、前記複数の接合ローラ対のうちの第１の接合ローラ対は、前記電解質膜の全面に接する第１の平面ローラ１００と、前記拡散層の全面に接する第２の平面ローラ１０２を有し、前記複数の接合ローラのうちの第２の接合ローラ対は、前記電解質膜の全面に接する第３の平面ローラ１００と、前記拡散層の搬送方向に平行な両端部のみに接する端部ローラ１０４とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の片面に拡散層を接合する接合装置であって、
電解質膜と拡散層とを挟んで加圧して接合する複数の接合ローラ対を備え、
前記複数の接合ローラ対のうちの第１の接合ローラ対は、前記電解質膜の全面に接する第１の平面ローラと、前記拡散層の全面に接する第２の平面ローラを有し、
前記複数の接合ローラのうちの第２の接合ローラ対は、前記電解質膜の全面に接する第３の平面ローラと、前記拡散層の搬送方向に平行な両端部のみに接する端部ローラとを有する、
接合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の接合装置において、
前記端部ローラは、前記拡散層の厚みに応じて前記両端部を均一に押圧する押圧機構を有する、接合装置。
【請求項３】
請求項２に記載の接合装置において、
前記端部ローラは、
２つの押圧ローラと、
前記２つの押圧ローラに設けられた中心軸と、
前記２つの押圧ローラの前記中心軸を結合して、前記拡散層の前記両端部のそれぞれを押圧するように前記２つの押圧ローラを離間して配置するカップリングと、を有し、
前記押圧機構は、
両端部が前記２つの押圧ローラの各中心軸に接続されるリンク機構と、
前記リンク機構の中央部に設けられ、前記拡散層の厚みに応じて前記リンク機構を前記前記拡散層の搬送方向と垂直な平面内で揺動させる揺動軸と、
前記揺動軸に接続され、前記２つの押圧ローラを前記第３の平面ローラの方向に押圧する押圧装置と、を有する、
接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の電解質膜等の膜の接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の押圧ローラを用いて拡散層をＭＥＡに接合する技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術では、拡散層に粗密があると、接合したときの膜の厚みが異なってしまい、均一な接合が難しく、剥がれ易い場合があった。
【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、電解質膜等の膜の接合において、剥がれにくい接合を実現する事を目的とする。
【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］
電解質膜の片面に拡散層を接合する接合装置であって、電解質膜と拡散層とを挟んで加圧して接合する複数の接合ローラ対を備え、前記複数の接合ローラ対のうちの第１の接合ローラ対は、前記電解質膜の全面に接する第１の平面ローラと、前記拡散層の全面に接する第２の平面ローラを有し、前記複数の接合ローラのうちの第２の接合ローラ対は、前記電解質膜の全面に接する第３の平面ローラと、前記拡散層の搬送方向に平行な両端部のみに接する端部ローラとを有する、接合装置。
この適用例によれば、剥がれやすい端部の接合強度を大きくし、剥がれにくい接合を実現することができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の接合装置において、前記端部ローラは、前記拡散層の厚みに応じて前記両端部を均一に押圧する押圧機構を有する、接合装置。
この適用例によれば、両端部の接合強度を同等にすることができる。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載の接合装置において、前記端部ローラは、２つの押圧ローラと、前記２つの押圧ローラに設けられた中心軸と、前記２つの押圧ローラの前記中心軸を結合して、前記拡散層の前記両端部のそれぞれを押圧するように前記２つの押圧ローラを離間して配置するカップリングと、を有し、前記押圧機構は、両端部が前記２つの押圧ローラの各中心軸に接続されるリンク機構と、前記リンク機構の中央部に設けられ、前記拡散層の厚みに応じて前記リンク機構を前記前記拡散層の搬送方向と垂直な平面内で揺動させる揺動軸と、前記揺動軸に接続され、前記２つの押圧ローラを前記第３の平面ローラの方向に押圧する押圧装置と、を有する、接合装置。
この適用例によれば、両端部を均一に押圧する押圧機構を容易に実現できる。
【００１０】
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、膜接合装置の他、接合膜の製造方法、燃料電池の製造装置等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施例の接合装置を示す説明図である。
【図２】３つの接合ローラ対の部分を接合ローラ１０２側から見たときの模式的な斜視図である。
【図３Ａ】第３の接合ローラ対の加圧前の状態を示す説明図である。
【図３Ｂ】拡散層の厚みが一定の時の第３の接合ローラ対の加圧時の状態を示す説明図である。
【図３Ｃ】拡散層の厚みに差がある時の第３の接合ローラ対の加圧時の状態を示す説明図である。
【図４】接合回数と接合強度との関係を示す説明図である。
【図５】接合圧力と接合強度との関係を示す説明図である。
【図６】拡散層に粗密があり拡散層の厚みが場所により異なる場合を示す説明図である。
【図７】タレ量と接合強度との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明の一実施例の接合装置を示す説明図である。接合装置１０は、接合ローラ１００と接合ローラ１０２で構成された２つの接合ローラ対（それぞれ「第１の接合ローラ対」「第２の接合ローラ対」とも呼ぶ。）と、接合ローラ１００と接合ローラ１０４で構成された１つの接合ローラ対（「第３の接合ローラ対」とも呼ぶ。）と、２つの搬送ローラ１５０と、ファイバーセンサー１６０と、吸着チャック１７０と、ガイド１８０と、を備える。３つの接合ローラ１００は一直線上に配置されており、また、２つの接合ローラ１０２と接合ローラ１０４は一直線上に配置されている。
【００１３】
第１〜第３の接合ローラ対は、電解質膜２００と、拡散層３００とを接合する。ここで、拡散層３００の電解質膜２００側の面には、接着性ＭＰＬ（マイクロポーラス層）が塗られており、拡散層３００と、電解質膜２００とは、常温で加圧するだけで接合可能である。
【００１４】
搬送ローラ１５０は、触媒層２５０が形成された電解質膜２００を、第１の接合ローラ対に搬送する。吸着チャック１７０は、接着性ＭＰＬが塗られた拡散層３００を吸着し、ガイド１８０に沿って搬送する。触媒層２５０は、電解質膜２００の全面に形成されている訳ではなく、必要な燃料電池の大きさに応じて形成されている。すなわち、触媒層２５０は、一定の間隔で形成されている。ファイバーセンサー１６０は、電解質膜２００の触媒層２５０の位置を検知する。図示しないコントローラは、電解質膜２００の触媒層２５０の位置に拡散層３００が配置されるように、吸着チャック１７０の動作を制御する。
【００１５】
図２は、３つの接合ローラ対の部分を接合ローラ１０２側から見たときの模式的な斜視図である。２つの接合ローラ１０２は、それぞれ１本の円柱形のローラで構成されているが、接合ローラ１０４は、２つの円柱形のローラ１０４ａ、１０４ｂで構成されている。ローラ１０４ａ、１０４ｂは、それぞれ、電解質膜２００、拡散層３００の搬送方向の両側の端部を押圧する。なお、ローラ１０４ａ、１０４ｂを区別しない場合には、「ローラ１０４」とも呼ぶ。
【００１６】
図３Ａは、第３の接合ローラ対の加圧前の状態を示す説明図である。電解質膜２００と拡散層３００を挟むように、接合ローラ１００と、ローラ１０４ａ、１０４ｂが設けられている。接合ローラ１００は、回転軸１０６を有しており、回転軸１０６の端部には、モータ１３０が接続されている。ローラ１０４ａ、１０４ｂは、それぞれ回転軸１０８ａ、１０８ｂを有している。回転軸１０８ａの一方の端部にはモータ１３０が接続されており、他方の端部にはカップリング１１０を介して回転軸１０８ｂが接続されている。このカップリング１１０は、回転軸１０８ａ、１０８ｂが一直線上になくても、回転軸１０８ａの回転を回転軸１０８ｂに伝達できるように、構成されている。
【００１７】
回転軸１０８ａ、１０８ｂは、それぞれ回転軸支持部１１２ａ、１１２ｂに支持されている。回転軸支持部１１２ａ、１１２ｂは、リンク部材１１４により接続されている。リンク部材の中央には、シーソー軸１１６（「揺動軸１１６」とも呼ぶ。）が設けられており、リンク部材１１４をシーソー板のように揺らすことができる。シーソー軸１１６には、シリンダ１２０が接続されており、リンク部材１１４及びシーソー軸１１６を接合ローラ１００方向に押す。なお、リンク部材１１４及びシーソー軸１１６が、電解質膜２００の搬送方向と垂直な平面内で移動するようにリニアガイド１４０が設けられている。
【００１８】
図３Ｂは、拡散層の厚みが一定の時の第３の接合ローラ対の加圧時の状態を示す説明図である。シリンダ１２０がリンク部材１１４及びシーソー軸１１６を、接合ローラ１００方向に移動させる。このとき、２つのローラ１０４ａ、１０４ｂはほぼ同時に拡散層３００に接する。リンク部材１１４は、電解質膜２００あるいは拡散層３００と平行であり、拡散層３００の両端にほぼ同じ圧力を加える。
【００１９】
図３Ｃは、拡散層の厚みに差がある時の第３の接合ローラ対の加圧時の状態を示す説明図である。拡散層３００のローラ１０４ａ側が相対的に薄く、ローラ１０４ｂ側が相対的に厚いとする。シリンダ１２０がリンク部材１１４及びシーソー軸１１６を、接合ローラ１００方向に移動させると、ローラ１０４ｂが先に拡散層３００に接触する。さらに、シリンダ１２０がリンク部材１１４及びシーソー軸１１６を、接合ローラ１００方向に移動させた場合、ローラ１０４ｂは拡散層３００から抗力を受けるが、ローラ１０４ａは拡散層３００に接触するまで拡散層３００からの抗力を受けない。そのため、リンク部材１１４は、シーソー軸１１６を中心として、ローラ１０４ｂと接合ローラ１００との間隔が、ローラ１０４ａが接合ローラ１００との間隔よりも広くなるように傾く。この状態では、ローラ１０４ａが拡散層３００から受ける抗力と、ローラ１０４ｂが拡散層３００から受ける抗力とは同じ大きさである。同じ大きさでなければ、抗力の差分により、モーメント差が生じ、時計回りのモーメントと、反時計回りのモーメントとが同じ大きさとなるように、リンク部材１１４を回転させる。本実施例では、シーソー軸１１６は、リンク部材１１４の中央に設けられているので、ローラ１０４ａが拡散層３００から受ける抗力と、ローラ１０４ｂが拡散層３００から受ける抗力とが同じ大きさとなる状態まで、リンク部材１１４を回転させる。したがって、拡散層３００がローラ１０４ａから受ける圧力も、拡散層３００がローラ１０４ａから受ける圧力も、同じ大きさとなる。
【００２０】
図４は、接合回数と接合強度との関係を示す説明図である。図４に示す結果は、接合ローラ１００と接合ローラ１０２の直径を８０ｍｍとし、接合ローラ１００と接合ローラ１０２の圧力を２ＭＰａとし、拡散層３００に厚みバラツキがないときの結果である。ここで接合回数は、一対の接合ローラ対を通る回数である。なお、この例では、３回目の接合ローラ対も接合ローラ１００と接合ローラ１０２を用いている。接合回数、すなわち、接合ローラ対を通る回数が多い方が、接合強度が強い。また、接合速度、すなわち、電解質膜２００の搬送速度が遅い方が、接合強度は高くなる。ただし、搬送速度が早いほうが、製品のスループットが良い。今回の加圧条件では、電解質膜の搬送速度が１ｍ／分で、２つ以上の接合ローラ対を通ることが好ましい。
【００２１】
図５は、接合圧力と、接合強度との関係を示す説明図である。ここで、接合ローラ１０２の直径を８０ｍｍとし、接合ローラ対を２回通している。接合圧力が大きいほど接合強度も大きい。ただし、接合圧力を大きくしすぎると、膜電極ガス拡散層接合体（ＧＤＬ）を破壊する虞がある。膜電極ガス拡散層接合体とは触媒層２５０が形成された電解質膜２００と、拡散層３００とを接合したものをいい、本実施例の接合装置１０により製造される物である。
【００２２】
図６は、拡散層に粗密があり、拡散層の厚みが場所により異なる場合を示す説明図である。接合ローラ１００と接合ローラ１０２で構成された接合ローラ対で接合する場合、拡散層３００の薄い部分では、接合ローラ１００、１０２により十分な加圧ができないため、接合強度不足が生じる虞がある。ここで、拡散層の厚みが標準より薄くなっている場合における標準の厚さとの差をタレ量Ｗｘと呼ぶ。
【００２３】
図７は、タレ量と接合強度との関係を示す説明図である。従来の接合ローラ１００と接合ローラ１０２で構成された接合ローラ対のみで接合する場合、接合ローラ対を１つしか通さない場合には、十分な接合強度接合（９Ｎ／ｍ以上）を得ることが出来ず、ローラ対を２回通しても、タレ量Ｗｘが１２μｍ以上の場合には、十分な接合強度（９Ｎ／ｍ以上）を得ることができない。これに対し、本実施例にように、さらに、第３の接合ローラ対（接合ローラ１００と接合ローラ１０４で構成された１つの接合ローラ対）による接合を実行した場合、タレ量Ｗｘが２０μｍであっても、十分な接合強度を得ることができた。
【００２４】
以上、本実施例によれば、拡散層３００の端部のみをさらに押圧する接合ローラ１０４（ローラ１０４ａ、１０４ｂ）を備えるので、端部における電解質膜２００と拡散層３００の接合強度を上げ、剥がれにくい接合を実現できる。
【００２５】
本実施例によれば、ローラ１０４ａ、１０４ｂは、リンク部材１１４により連結され、リンク部材１１４は、シーソー軸１１６により、ローラ１０４ａ、１０４ｂの押圧に応じてシーソーのように動作する。すなわち、ローラ１０４ａ、１０４ｂの押圧を同じにできるため、電解質膜２００と拡散層３００の両端部の接合圧力を同じに出来る。
【００２６】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００２７】
１０…接合装置
１００…接合ローラ
１０２…接合ローラ
１０４…接合ローラ
１０４ａ、１０４ｂ…ローラ
１０６…回転軸
１０８ａ、１０８ｂ…回転軸
１１０…カップリング
１１２ａ、１１２ｂ…回転軸支持部
１１４…リンク部材
１１６…シーソー軸
１２０…シリンダ
１３０…モータ
１４０…リニアガイド
１５０…搬送ローラ
１６０…ファイバーセンサー
１７０…吸着チャック
１８０…ガイド
２００…電解質膜
２５０…触媒層
３００…拡散層
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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