(57)【要約】【課題】本発明は、複数の膜電極接合体において所望の接合状態を常に安定して得ることができる膜電極接合体の製造方法と製造装置とを提供することを課題とする。【解決手段】本発明の膜電極接合体の製造方法は、固体高分子電解質膜を二枚の電極膜で挟んでなる膜集合体を加圧荷重を徐々に増大させるホットプレスで熱圧着する膜電極接合体の製造方法であって、加圧荷重と膜集合体の厚さの変化量とを測定しながら熱圧着し、加圧荷重と厚さの変化量とから得られる荷重−変位線図に基づき、荷重に対する変位量の割合が変化する傾きの変化点から加圧終了点までに膜集合体に付加する付加荷重が所定の一定荷重となるように加圧荷重を制御することを特徴とする。そしてホットプレス装置はアクチュエータと、このアクチュエータの押圧力を計測する圧力センサと、均熱盤の変位量を計測する変位量センサと、これら圧力センサと変位量センサの計測結果に基づいてアクチュエータの作動を制御する制御手段とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を二枚の電極膜で挟んでなる膜集合体を加圧荷重を徐々に増大させるホットプレスで熱圧着する膜電極接合体の製造方法であって、
前記加圧荷重と前記膜集合体の厚さの変位量とを測定しながら熱圧着し、
前記加圧荷重と前記厚さの変位量とから得られる荷重−変位線図に基づき、荷重に対する変位量の割合が変化する傾きの変化点から加圧終了点までに前記膜集合体に付加する付加荷重が所定の一定荷重となるように前記加圧荷重を制御することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記傾きの変化点は、前記荷重−変位線図において、前記荷重と前記変位量とが比例する初期の比例領域の傾きを初期傾きｍ１としたときに、傾きが初期傾きｍ１の１／３となる点である請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
固体高分子電解質膜を二枚の電極膜で挟んでなる膜集合体を熱圧着する膜電極接合体の製造装置であって、
加熱手段を内蔵し前記膜集合体を載置する第１均熱盤と、
加熱手段を内蔵し前記第１均熱盤に対向して位置するとともに前記第１均熱盤に対して相対的に昇降する第２均熱盤と、
前記第２均熱盤を押圧するアクチュエータと、
前記第２均熱盤と前記アクチュエータとの間に介装され前記第２均熱盤に作用する前記アクチュエータの押圧力を計測する圧力センサと、
前記第２均熱盤の変位量を計測する変位量センサと、
前記圧力センサ及び前記変位量センサの計測結果に基づき前記アクチュエータの作動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記圧力センサ及び前記変位量センサの計測結果に基づいて演算される荷重−変位線図において、荷重に対する変位量の割合が変化する傾きの変化点の荷重を検出し、該荷重に一定の付加荷重を加えた荷重を最終的な荷重指令値として前記電動アクチュエータに出力することを特徴とする膜電極接合体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池用の膜電極接合体の製造方法と製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に固体高分子型燃料電池に用いる膜電極接合体（以後、ＭＥＡともいう）は、厚さが５０μｍ程度の固体高分子膜を厚さが０．１〜０．５ｍｍ程度で対をなす２枚の電極膜（拡散膜ともいう）で挟んだ後加熱圧着して製造されている。固体高分子膜はその周縁部が電極膜の外周よりも５〜３０ｍｍ程度突出しており、２枚の電極膜の間を電気的に絶縁するとともに各電極膜にそれぞれ供給される酸素と水素が直接接触しないように形成されている。さらに固体高分子膜はその周縁部に配置される環状パッキングを介して導電性のセパレータによって表裏両側から挟持されている。
【０００３】
ところで、従来、固体高分子膜を二枚の電極膜で挟持した膜集合体における膜同士の接合は、加熱された上下均熱盤の間にこの膜集合体を配置して加熱圧着するホットプレス装置により行われていた。しかし、このように構成された従来のホットプレス装置では、上下均熱盤を油圧シリンダの伸縮作動により昇降させているため、加圧力や加圧量を高精度に制御することが困難であり、固体高分子膜と電極膜との良好な接合状態を安定して得ることができなかった。
【０００４】
このため、上下均熱盤の昇降の精度を確保することができる膜集合体のホットプレス装置が提案されている（特許文献１参照）。このホットプレス装置は、均熱盤を昇降させる電動アクチュエータと、その出力を計測する力センサと、均熱盤の変位量を計測する変位量センサと、力センサと変位量センサの計測結果に基づいて電動アクチュエータの作動を制御するコントローラとを具備している。これ故、変位量センサや力センサの監視の下、コントローラの制御により電動アクチュエータを作動して、上下均熱盤による膜集合体のホットプレスを高精度に実施することができるようになっている。
【特許文献１】特開２００７−７５８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが複数の膜集合体を順次熱圧着して所望の膜電極接合体を作製する場合には、上述のホットプレス装置を用いても膜電極接合体ごとの接合状態にバラツキが生じ、必ずしも全ての膜電極接合体で安定した接合状態を得ることができないという問題があった。
【０００６】
一般に膜集合体の熱圧着工程では、固体高分子電解質膜（以後、単に電解質膜という）を二枚の電極膜で挟持した膜集合体（以後、ワークともいう）に対して予め設定された一定荷重を負荷して電解質膜と電極膜とを接合するようにしている。
【０００７】
図１はこの熱圧着工程の様子を模式的に断面図で示したものである。図１（ａ）は電解質膜１２をアノード拡散層とカソード拡散層の二枚の電極膜１４、１４で挟んだワークＷを均熱盤２２、２４の間にセットした加圧前の状態を示しており、図１（ｂ）は加圧後の状態を示している。
【０００８】
電解質膜１２は例えばパーフルオロカーボンスルホン酸膜のように表面が平滑な膜体である。一方、電極膜１４はカーボンシートあるいはカーボンクロスなどを基材１４ａとするカーボン繊維の積層体あるいは編成体などで構成されており、その表層には撥水層と呼ばれる多孔質層（ＭＰＬ）１４ｂが形成されている。このため電解質膜１２と当接する電極膜１４表面の表面粗さは多孔質層１４ｂ表面の凹凸によって一様ではなくワークごとに異なりそのバラツキは大きい。
【０００９】
ワークＷに圧縮方向の荷重を加えると、まず多孔質層１４ｂ、１４ｂの凹凸面が圧縮変形されてその全面が電解質膜１２に密着し、その後さらに付加される荷重によって電解質膜１２と電極膜１４、１４とが接合される。従って、この圧縮変形が終了するまでにワークＷに加えられる荷重（以後、圧縮荷重と称する。）は、電解質膜１２と電極膜１４、１４との接合には寄与しないで、多孔質層１４ｂの圧縮変形完了後に付加される荷重（以後、付加荷重という）のみが電解質膜１２と電極膜１４、１４との接合に有効に作用するわけである。
【００１０】
図２はワークＷを加圧した時の荷重ＰとワークＷの厚さの変位量Ｖ（図１では均熱盤２４の変位量に対応する。）との関係を示す荷重−変位量線図である。図２において折線ＷＳ（Ｏ−Ｓ１−Ｓ２）は電極膜の表面粗さが標準的であるワークＷＳについて得られた荷重−変位量線図である。折線ＷＳにおいて無負荷状態（Ｏ点）から荷重を増加させると、傾きの変化点Ｓ１点（Ｐｓ、Ｖｓ）までは荷重Ｐの増加に比例して変位量Ｖも増加するが、荷重が傾きの変化点Ｓ１点の荷重Ｐｓを超えると荷重Ｐを増加しても変位量Ｖは加圧を終了する荷重Ｐ０までごく僅かしか増加しないことが分かる。すなわち、加圧開始から傾きの変化点Ｓ１点までの間では電極膜１４の多孔質層１４ｂが圧縮変形されており、傾きの変化点Ｓ１点から加圧終了点Ｓ２までの間で電解質膜１２と電極膜１４、１４とが接合されているわけである。つまり圧縮変形完了後に負荷する付加荷重ΔＰｓ＝（Ｐ０−Ｐｓ）が接合に有効に作用する荷重である。
【００１１】
ところが上述のように電極膜１４、１４の表面粗さはワークごとにバラツキが大きいので、多孔質層１４ｂの圧縮変形が終了するまでに負荷される圧縮荷重もワークごとに大きく異なる。このため、予め設定された一定荷重Ｐ０でワークを加圧して接合する従来の接合方法では、接合に有効に作用する荷重が電極膜１４、１４の表面状態によって大きく左右されることになる。
【００１２】
例えば、図２において折線ＷＦ（Ｏ−Ｆ１−Ｆ２）は標準ワークＷＳよりも電極膜１４、１４の表面粗さが小さい平滑なワークＷＦについて得られた荷重−変位線図である。この場合には、標準ワークＷＳよりも圧縮変形量が少ないので傾きの変化点Ｆ１における圧縮荷重Ｐｆは標準ワークＷＳの圧縮荷重Ｐｓよりも小さく、従って、この場合の付加荷重ΔＰｆ＝（Ｐ０−Ｐｆ）は標準ワークＷＳの付加荷重ΔＰｓよりも（Ｐｓ−Ｐｆ）だけ大きいことになる。このため標準ワークＷＳよりも表面の平滑な電極膜１４、１４を有するワークＷＦの場合には、電解質膜と電極膜との接合部を潰しすぎてしまう虞がある。
【００１３】
一方、標準ワークＷＳよりも表面の粗いワークＷＲで得られる折線ＷＲ（Ｏ−Ｒ１−Ｒ２）の場合には、標準ワークＷＳよりも圧縮変形量が多いので傾きの変化点Ｒ１における圧縮荷重Ｐｒは標準ワークＷＳの圧縮荷重Ｐｓよりも大きくなる。従って付加荷重ΔＰｒ＝（Ｐ０−Ｐｒ）は標準ワークＷＳの付加荷重ΔＰｓよりも（Ｐｒ−Ｐｓ）だけ小さくなる。このため標準ワークＷＳよりも表面の粗い電極膜１４、１４を有するワークＷＲの場合には、電解質膜１２と電極膜１４、１４とを接合させるのに充分な付加荷重を与えることができない。
【００１４】
本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、複数の膜電極接合体において所望の接合状態を常に安定して得ることができる膜電極接合体の製造方法と製造装置とを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、各膜集合体の荷重−変位線図において、圧縮変形終了後に負荷する付加荷重ΔＰがワークごとに常に一定となるように加圧力を制御して熱圧着すれば、膜電極接合体の接合状態をバラツキのない安定したものにできることに着目した。
【００１６】
すなわち、本発明の膜電極接合体の製造方法は、固体高分子電解質膜を二枚の電極膜で挟んでなる膜集合体を加圧荷重を徐々に増大させるホットプレスで熱圧着する膜電極接合体の製造方法であって、加圧荷重と膜集合体の厚さの変位量とを測定しながら熱圧着し、加圧荷重と厚さの変位量とから得られる荷重−変位線図に基づき、荷重に対する変位量の割合が変化する傾きの変化点から加圧終了点までに膜集合体に付加する付加荷重が所定の一定荷重となるように加圧荷重を制御することを特徴とする。
【００１７】
ここで、傾きの変化点は、荷重−変位線図において、荷重と変位量とが比例する初期の比例領域の傾きを初期傾きｍ１としたときに、傾きがこの初期傾きｍ１の１／３となる点であることが望ましい。
【００１８】
また、本発明の膜電極接合体の製造装置は、固体高分子電解質膜を二枚の電極膜で挟んでなる膜集合体を熱圧着する膜電極接合体の製造装置であって、加熱手段を内蔵し膜集合体を載置する第１均熱盤と、加熱手段を内蔵し第１均熱盤に対向して位置するとともに第１均熱盤に対して相対的に昇降する第２均熱盤と、この第２均熱盤を押圧するアクチュエータと、第２均熱盤とアクチュエータとの間に介装され第２均熱盤に作用するアクチュエータの押圧力を計測する圧力センサと、第２均熱盤の変位量を計測する変位量センサと、圧力センサ及び変位量センサの計測結果に基づきアクチュエータの作動を制御する制御手段とを備え、その制御手段は、圧力センサ及び変位量センサの計測結果に基づいて演算される荷重−変位線図において、荷重に対する変位量の割合が変化する傾きの変化点の荷重を検出し、この荷重に一定の付加荷重を加えた荷重を最終的な加圧力（荷重指令値）としてアクチュエータに出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の膜電極接合体の製造方法及び製造装置によれば、ワークによって異なる電極膜の表面粗さに関係なく、電解質膜と電極膜との接合に有効に作用するワークごとの荷重を常に一定になるように制御することができる。従って、接合状態が均質な複数の膜電極接合体を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態について図３〜５を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
（膜電極接合体の製造装置）
図３に本実施の形態で用いる膜電極接合体の製造装置（以後、ホットプレス装置と称する。）の概略構成を示す。
【００２２】
ホットプレス装置１は、膜電極集合体を挟持して加熱圧着する熱圧着部２と、この熱圧着部２を装着し加圧手段５を保持するフレーム部３と、加圧手段５の作動を制御する制御部４とを備える。
【００２３】
熱圧着部２は、それぞれ加熱手段（図示せず）を内蔵した第１均熱盤（以後、下均熱盤と称する。）２２と第２均熱盤（以後、上均熱盤と称する。）２４とを備えている。上均熱盤２４は下均熱盤２２に対向して上方に位置し、下均熱盤２２に対して相対的に昇降可能に配置されている。また、下均熱盤２２と上均熱盤２４との間には、上均熱盤２４の変位量を計測する変位量センサとしてのリニアスケール４２、４２が設けられている。
【００２４】
フレーム部３は、熱圧着部２を装着する基盤３２と、この基盤３２上の四隅に立設された４本の支柱３４と、これら４本の支柱３４の上部間に架設された天盤３６とからなっている。天盤３６の上面中心位置には電動アクチュエータとしての電動サーボシリンダ５２が下向きに装着されている。そして、天盤３６を上下に貫通している電動サーボシリンダ５２のピストンロッド５４の下端と上均熱盤２４の上面との間には、電動サーボシリンダ５２の加圧力を計測する圧力センサとしてのロードセル４４が介装されている。
【００２５】
ロードセル４４とリニアスケール４２、４２はコントローラ４６を介して電気的に電動サーボシリンダ５２に接続されており、ロードセル４４とリニアスケール４２、４２の計測結果に基づいて電動サーボシリンダ５２の作動を制御するようになっている。つまり、制御部４は、ロードセル４４とリニアスケール４２、４２とコントローラ４６とで構成されている。
【００２６】
（膜電極接合体の製造方法）
以上の構成を有するホットプレス装置１を用いて膜集合体を加熱圧着することにより、所望の接合状態を有する膜電極接合体を安定して得ることができる。以下、図４、５を参照しながら膜集合体を加熱圧着して膜電極接合体を得る手順を説明する。ここで、図４は厚さ５０μｍの固体高分子電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ：デュポン社製、登録商標）を二枚の電極膜（厚さ２００μｍのカーボンシートと、その表面に形成された４０〜６０μｍの多孔質層とからなる）で挟んでなる厚さが５５０μｍの膜集合体を、ホットプレス装置１で加熱圧着して得られた荷重−変位線図であり、図５は膜電極接合体の作製手順を示すフローチャートである。
【００２７】
まず、膜集合体（以後、ワークＷと称する。）をさらに額縁状の治具Ｊ１、Ｊ２（図３参照）で挟持して下均熱盤２２上に載置し、電動サーボシリンダ５２のピストンロッド５４を伸長して上均熱盤２４を下降して治具Ｊ２に当接させる（ステップＳ１）。
【００２８】
次に、ワークＷを加圧しない状態で例えば５分間保持する（ステップＳ２）。加熱された均熱盤２２、２４でワークＷを挟持して所定時間保持することで、ワークＷを接合温度（１００〜１５０℃）に予熱することができる。
【００２９】
予熱が完了したら電動サーボシリンダ５２のピストンロッド５４をさらに伸長してワークＷの加圧を開始する（ステップＳ３）。この時、加圧速度を０．５〜５ＭＰａ／ｓｅｃとするとよい。加圧速度が０．５ＭＰａ／ｓｅｃ未満では効率が悪く、５ＭＰａ／ｓｅｃを超えて速いと加圧制御が安定しないので適当ではない。より好ましくは１〜３ＭＰａ／ｓｅｃである。
【００３０】
制御部４は、電動サーボシリンダ５２による加圧力をロードセル４４で、また、上均熱盤２４の基準位置（加圧開始直前の位置）からの変位量を均熱盤の左右に設けたリニアスケール４２、４２で逐次計測してコントローラ４６の演算部（図示せず）へ入力している。
【００３１】
コントローラ４６の演算部は、まずそれぞれの計測データに基づいて荷重−変位線図における初期の比例領域（図４では０〜０．５ＭＰａの領域）の傾き（初期傾き）ｍ１（図４では６８．６μｍ／ＭＰａ）を算出する（ステップＳ４）。
【００３２】
さらに演算部は、加圧力の増大に伴って変化する傾きｍ（荷重と変位量との変化割合）を所定の時間間隔で演算し（ステップＳ５）、得られた傾きｍと初期傾きｍ１とを比較して（ステップＳ６）、傾きｍが初期傾きｍ１の１／３となるまで傾きｍの演算を繰り返す。本実施の形態では、荷重−変位線図上で荷重−変位線の傾きｍが初期傾きｍ１の１／３となる点ＱをワークＷの傾きの変化点と定義する。
【００３３】
コントローラ４６はこの傾きの変化点Ｑの荷重Ｐ（図４では０．７ＭＰａ）を検出し（ステップＳ７）、この荷重Ｐに付加荷重ΔＰ（図４では２ＭＰａ）を加えた値Ｐ０＝Ｐ＋ΔＰ（図４では２．７ＭＰａ）を最終的な加圧力（荷重指令値）として、電動サーボシリンダー５２に出力する（ステップＳ８）。なお付加荷重ΔＰは、ワークＷを加熱圧着して良好な接合状態が得られる傾きの変化点から加圧終了までの付加荷重であり、予め実験などによって求めておくとよい。
【００３４】
加圧力を徐々に増加して加圧力がＰ０＝Ｐ＋ΔＰに到達したら加圧を停止する。そして荷重（Ｐ＋ΔＰ）をワークＷに負荷した状態で所定時間（例えば、５分間）保持する（ステップＳ９）。このように保持することにより電解質膜と電極膜との接合を安定化させることができる。所定時間経過したら除荷してワークＷを取り出す（ステップＳ１０）。
【００３５】
以上のように本実施形態の膜電極接合体の製造方法によれば、電解質膜と電極膜との接合に有効な荷重（傾きの変化点Ｑからの付加荷重ΔＰ）を電極膜の表面状態に関係なく一定とすることができるので、常に安定して接合状態が良好な膜電極接合体を得ることができ、複数の膜電極接合体の接合品質を安定化させることが可能となる。
【００３６】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、実施の形態では昇降可能な第２均熱盤を上均熱盤としたが、上均熱盤を固定して下均熱盤を昇降可能としてもよい。また、アクチュエータを電動サーボシリンダとしたが、油圧あるいはエアーを用いるアクチュエータとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、各種の膜電極接合体（ＭＥＡ）の試作や多品種少量の膜電極接合体の製造に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】膜集合体の熱圧着工程を説明する断面模式図である。（ａ）は加圧前、（ｂ）は加圧（圧着）後である。
【図２】加圧力一定でホットプレスした場合の基材表面の粗さによる荷重−変位線図の変化を示す概念図である。
【図３】本実施形態におけるホットプレス装置を示す概略構成図である。
【図４】荷重−変位線図の一例である。
【図５】膜電極接合体の作製手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１：ホットプレス装置  １２：固体高分子電解質膜  １４：電極膜（拡散層）２２：下均熱盤  ２４：上均熱盤  ４２：変位量センサ  ４４：圧力センサ  ５２；電動アクチュエータ  ４６：コントローラ  Ａ：膜集合体  Ｗ：ワーク
【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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