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技術 燃料電池セルの製造装置

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 木下克彦
出願日 2018年8月6日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2018-147468
公開日 2020年2月13日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-024794
状態 未査定
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード ガスケット部分 鉄鋼板 超音波振動装置 各接着層 振動付与 樹脂枠 加熱エネルギー 黒鉛繊維
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年2月13日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

燃料電池セパレータ樹脂枠とを加圧する型がガスケットと接しない形状に形成されていても、燃料電池セパレータと樹脂枠とを均一に加熱して接着することができる燃料電池セル製造装置を提供する。

解決手段

ガスケット14が取り付けられたカソード側セパレータ13と、MEGA11が取り付けられた樹脂枠12と、を接着する燃料電池セル10の製造装置20であって、ガスケット14と接しない形状に形成された上型21と、超音波振動を発生する超音波振動装置振動23と、を少なくとも備え、カソード側セパレータ13と樹脂枠12とを積層した状態で上型21をカソード側セパレータ13に当て、超音波振動装置振動23により、上型21に超音波振動を付与することを特徴とする。

概要

背景

この種の燃料電池セル製造装置として、一対の燃料電池セパレータと、各燃料電池セパレータの間に挟まれて一対の燃料電池セパレータを接着する樹脂枠と、を上型および下型の間に配置し、一対の燃料電池セパレータと樹脂枠とを熱圧着するものが開示されている(特許文献1参照)。また、従来の燃料電池セルの製造装置として、図2(a)および図3に示すように、温度の調節が可能な温調定盤からなる上型1と下型2との間にガスケットGが取り付けられた一方の燃料電池セパレータ3と樹脂枠4と、図示しない他方の燃料電池セパレータとを挟み込んだ積層体5を加熱するとともに加圧して接着し、冷却するものがある。従来の燃料電池セルの製造装置は、上型1にはプレス中子1aと中子バネ1bとが設けられており、プレス中子1aで積層体5を押圧するように構成されている。また、従来の燃料電池セルの製造装置は、図2(b)に示すように、加熱1、加熱2の工程および冷却1、冷却2の工程がそれぞれ設けられ積層体5を接着するようにしている。

概要

燃料電池セパレータと樹脂枠とを加圧する型がガスケットと接しない形状に形成されていても、燃料電池セパレータと樹脂枠とを均一に加熱して接着することができる燃料電池セルの製造装置を提供する。ガスケット14が取り付けられたカソード側セパレータ13と、MEGA11が取り付けられた樹脂枠12と、を接着する燃料電池セル10の製造装置20であって、ガスケット14と接しない形状に形成された上型21と、超音波振動を発生する超音波振動装置振動23と、を少なくとも備え、カソード側セパレータ13と樹脂枠12とを積層した状態で上型21をカソード側セパレータ13に当て、超音波振動装置振動23により、上型21に超音波振動を付与することを特徴とする。

目的

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、燃料電池セパレータと樹脂枠とを加圧する型がガスケットと接しない形状に形成されていても、燃料電池セパレータと樹脂枠とを均一に加熱して接着することができる燃料電池セルの製造装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

ガスケットが取り付けられた燃料電池セパレータと、膜電極ガス拡散層接合体が取り付けられた樹脂枠と、を接着する燃料電池セル製造装置であって、前記ガスケットと接しない形状に形成された型と、超音波振動を付与する振動付与手段と、を少なくとも備え、前記燃料電池セパレータと前記樹脂枠とを積層した状態で前記型を前記燃料電池セパレータに当て、前記振動付与手段により、前記型に前記超音波振動を付与することを特徴とする燃料電池セルの製造装置。

技術分野

0001

本発明は、燃料電池セパレータ樹脂枠とを接着する燃料電池セル製造装置に関する。

背景技術

0002

この種の燃料電池セルの製造装置として、一対の燃料電池セパレータと、各燃料電池セパレータの間に挟まれて一対の燃料電池セパレータを接着する樹脂枠と、を上型および下型の間に配置し、一対の燃料電池セパレータと樹脂枠とを熱圧着するものが開示されている(特許文献1参照)。また、従来の燃料電池セルの製造装置として、図2(a)および図3に示すように、温度の調節が可能な温調定盤からなる上型1と下型2との間にガスケットGが取り付けられた一方の燃料電池セパレータ3と樹脂枠4と、図示しない他方の燃料電池セパレータとを挟み込んだ積層体5を加熱するとともに加圧して接着し、冷却するものがある。従来の燃料電池セルの製造装置は、上型1にはプレス中子1aと中子バネ1bとが設けられており、プレス中子1aで積層体5を押圧するように構成されている。また、従来の燃料電池セルの製造装置は、図2(b)に示すように、加熱1、加熱2の工程および冷却1、冷却2の工程がそれぞれ設けられ積層体5を接着するようにしている。

先行技術

0003

特開2017−103069号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池セルの燃料電池セパレータには、シール性を向上させるためのガスケットが取り付けられている。そのため、製造装置の型を燃料電池セパレータ全体に接するような形状とした場合、ガスケットの熱伝導率が低いことにより、ガスケット部分接着強度が低下し、ガスケットの潰れが発生してしまうという問題がある。このような問題を解決するため、型のガスケットへの接触を回避することが可能な型形状とした場合、樹脂枠全体を均等に加熱することができず、接着強度の低下の問題を解消することができない。

0005

図2(a)に示す従来の燃料電池セルの製造装置においても、特許文献1に記載の燃料電池セルの製造装置と同様の問題がある。即ち、図3に示すように、上型1が、ガスケットGの部分と接しないよう逃げの部分1cを設け、プレス中子1aで積層体5を押圧するように構成されている。この構成により、上型1が加圧されるとプレス中子1aを介して一方の燃料電池セパレータ3と樹脂枠4とが加圧され加熱される。したがって、一方の燃料電池セパレータ3と樹脂枠4とがプレス中子1aにより直接加圧および加熱された領域、即ち、図3に示す一方の燃料電池セパレータ3の斜線で示される領域は、接着強度が確保される。しかしながら、図3に示すガスケットGに対向する一方の燃料電池セパレータ3の〇印で示される領域は、一方の燃料電池セパレータ3と樹脂枠4とがプレス中子1aにより直接加圧および加熱されないので、加熱が不十分となってしまう。その結果、接着強度が低下してしまうという問題がある。

0006

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、燃料電池セパレータと樹脂枠とを加圧する型がガスケットと接しない形状に形成されていても、燃料電池セパレータと樹脂枠とを均一に加熱して接着することができる燃料電池セルの製造装置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

0007

本発明に係る燃料電池セルの製造装置は、ガスケットが取り付けられた燃料電池セパレータと、膜電極ガス拡散層接合体が取り付けられた樹脂枠と、を接着する燃料電池セルの製造装置であって、前記ガスケットと接しない形状に形成された型と、超音波振動を付与する振動付与手段と、を少なくとも備え、前記燃料電池セパレータと前記樹脂枠とを積層した状態で前記型を前記燃料電池セパレータに当て、前記振動付与手段により、前記型に前記超音波振動を付与することを特徴とする。

0008

本発明に係る燃料電池セルの製造装置は、ガスケットと接しない形状に形成された型と、超音波振動を付与する振動付与手段とを少なくとも備えている。この構成により、燃料電池セパレータに当てる型がガスケットと接しない形状に形成されているので、ガスケットが型で押されることはなくガスケットが型で潰されることはない。また、燃料電池セパレータに対して型が当てられた状態で、振動付与手段により、型に超音波振動が付与されると、型の全体が振動することで、型で押されている燃料電池セパレータの全体が振動する。燃料電池セパレータの全体が振動すると、燃料電池セパレータと樹脂枠との接触面の全体に摩擦熱が発生し、燃料電池セパレータと樹脂枠との接触面の全体が均一に加熱される。

発明の効果

0009

本発明によれば、燃料電池セパレータを加圧する型がガスケットと接しない形状に形成されていても、燃料電池セパレータと樹脂枠との界面全体を均一に加熱して接着することができる燃料電池セルの製造装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

0010

本発明の実施形態に係る燃料電池セルの製造装置の断面の一部を示す模式図であり、図1(a)は、カソード側セパレータと樹脂枠が上型と下型に挟まれた状態を示し、図1(b)は、カソード側セパレータと樹脂枠が加熱された状態を示す。
従来の燃料電池セルの製造装置の図であり、図2(a)は、製造装置の断面を表す模式図を示し、図2(b)は、加熱および冷却の工程を表す工程図を示す。
従来の燃料電池セルの製造装置の断面の一部および一部を拡大した断面を示す模式図。

実施例

0011

本発明に係る燃料電池セルの製造装置を適用した実施形態に係る燃料電池セル10の製造装置20について図面を参照して説明する。まず、製造装置20により製造される燃料電池セル10の構成について説明する。

0012

燃料電池セル10は、図1(a)、図1(b)に示すように、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly、以下MEGAという。)11が取り付けられた樹脂枠12と、カソード側セパレータ13と、ガスケット14と、図示しないアノード側セパレータとにより構成されている。燃料電池セル10は、複数個が積層されて図示しない燃料電池を構成する。なお、実施形態に係る燃料電池セル10のカソード側セパレータ13は、本発明に係る燃料電池セルの燃料電池セパレータに対応する。

0013

MEGA11は、図示しない膜電極接合体MEA:Membrane Electrode Assembly、以下MEAという。)と、カソード側ガス拡散層GDL:Gas Diffusion Layer、以下GDLという。)と、アノード側GDLとにより構成されている。

0014

MEAは、図示しない電解質膜と、カソード側触媒層と、アノード側触媒層との接合体で構成されている。電解質膜は、パーフルオロスルホン酸(PFSA)アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜は、電子および気体流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層からカソード側触媒層に移動させる機能を有している。

0015

カソード側触媒層は、白金白金合金などの触媒担持した導電性担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。なお、アイオノマーは、電解質膜と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、イオン交換基によりプロトン伝導性を有する。カソード側触媒層は、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。

0016

アノード側触媒層は、カソード側触媒層と同様の材料で形成されているが、カソード側触媒層と異なり、水素ガス(H2)をプロトンと電子に分解する機能を有している。カソード側GDLは、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維黒鉛繊維などの多孔質繊維基材で形成されている。カソード側GDLは、カソード側触媒層の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード側触媒層に行き渡らせる機能を有している。

0017

アノード側GDLは、カソード側GDLと同様に、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノード側GDLは、アノード側触媒層の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード側触媒層に行き渡らせる機能を有している。

0018

樹脂枠12は、合成樹脂で枠状に形成されたコア材と、コア材の表面および裏面に形成された各接着層を有する3層構造接着シートで構成されており、カソード側セパレータ13およびアノード側セパレータを接着するとともに、MEGA11を構成する膜電極接合体と接着されている。樹脂枠12は、燃料極の水素ガス(H2)や空気極酸素ガス(O2)が、微量ながら電解質膜を通過してしまうという、いわゆるクロスリーク触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。接着層は、電解質膜よりも高い剛性弾性粘性を有する接着部材からなる。接着部材としては、熱可塑性の合成樹脂、例えばエポキシ樹脂からなる接着剤が挙げられる。

0019

カソード側セパレータ13は、鉄鋼板ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。カソード側セパレータ13は、カソード側GDLおよび樹脂枠12に接着されており、カソード側GDLの表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路が形成されている。カソード側セパレータ13の表面は、チタン(Ti)薄膜が形成され、チタン薄膜炭素層が形成されている。本実施形態のカソード側セパレータ13は、本発明に係る燃料電池セルの製造装置の燃料電池セパレータに対応する。

0020

アノード側セパレータは、カソード側セパレータ13と同様、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。アノード側セパレータは、アノード側GDLおよび樹脂枠12に接着されており、アノード側GDLの表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路が形成されている。アノード側セパレータの表面は、カソード側セパレータ13の表面と同様、表面にチタン(Ti)薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。

0021

ガスケット14は、ゴム熱可塑性エラストマーなどの弾性を有する材料で形成されており、他の燃料電池セルを構成するカソード側セパレータ13の酸化剤ガス流路側および他の燃料電池セルを構成するアノード側セパレータの燃料ガス流路側に接着されている。

0022

ガスケット14は、複数個の燃料電池セル10を積層した際に、隣接する他の燃料電池セル10の表面に当接し、二つの燃料電池セル10の間を封止するように構成されている。ガスケット14により、燃料ガス、酸化剤ガスや冷却媒体の各流路からの漏洩が阻止される。

0023

次いで、燃料電池セル10の製造装置20について、図面を参照して説明する。

0024

製造装置20は、図1(a)に示すように、上型21と、下型22と、超音波振動装置23とを有しており、上型21と下型22とによりカソード側セパレータ13とMEGA11が取り付けられた樹脂枠12とを挟み込むように構成されている。カソード側セパレータ13に上型21が押し当てられ、MEGA11が取り付けられた樹脂枠12に下型22が押し当てられる。なお、本実施形態の上型21は、本発明の燃料電池セルの製造装置の本実施形態の型に対応し、本実施形態の超音波振動装置23は、本発明の燃料電池セルの製造装置の振動付与手段に対応する。

0025

上型21は、昇降自在に構成されており、複数のプレス中子21aとガスケット逃げ部21bとを有している。上型21のプレス中子21aがカソード側セパレータ13に押し当てられるように構成されている。ガスケット逃げ部21bは、ガスケット逃げ部21bの先端部から厚み方向に所定の深さで形成されており、ガスケット14の全体が上型21に接しないように形成されている。

0026

超音波振動装置23は、供給される電力に応じて超音波振動を出力する図示しない振動子を有しており、少なくとも20kHzの所定の周波数(kHz)の超音波振動を発生させるように構成されている。超音波振動装置23は、上型21と接続されており発生させた超音波振動を上型21に伝達し、上型21を超音波振動させる構成を有している。

0027

なお、超音波振動の所定の周波数(kHz)は、燃料電池セル10の特性、カソード側セパレータ13とMEGA11が取り付けられた樹脂枠12の大きさ、形状、材質などの設定諸元や、実験値などのデータに基づいて適宜選択される。

0028

次いで、燃料電池セル10の製造装置20によるカソード側セパレータ13とMEGA11が取り付けられた樹脂枠12との接着工程について、図面を参照して簡単に説明する。

0029

まず、上型21が下型22から離隔する方向に上昇し、上型21と下型22とが離隔した状態で、MEGA11が取り付けられた樹脂枠12と、カソード側セパレータ13とが、図1(a)、図1(b)に示すように、カソード側セパレータ13が上側になるようにして互いに積層され、下型22の上に双方がセットされる。

0030

次いで、上型21が下型22に近接する方向に下降し、上型21のプレス中子21aの先端部がカソード側セパレータ13の上面に当接し、上型21によりカソード側セパレータ13が下型22の方向に押し付けられる。このとき、ガスケット14は、ガスケット逃げ部21bに収容され、上型21に接することはない。

0031

続いて、超音波振動装置23に電力が供給され、所定の周波数(kHz)の超音波振動が発生し、発生した超音波振動は上型21に伝達され、図1(a)に示す複数の折れ線で模式的に示すように上型21を振動させる。上型21の超音波振動は、プレス中子21aの先端部を介してカソード側セパレータ13に伝達され、カソード側セパレータ13およびMEGA11が取り付けられている樹脂枠12の全体が振動する。

0032

カソード側セパレータ13およびMEGA11が取り付けられている樹脂枠12の全体が振動すると、カソード側セパレータ13と樹脂枠12との接触面、即ち、界面の全体に摩擦熱が発生し、カソード側セパレータ13と樹脂枠12との界面の全体が均一に加熱され接着(溶着)される。
以上のように構成された実施形態に係る燃料電池セル10の製造装置20の効果について説明する。

0033

本実施形態に係る燃料電池セル10の製造装置20は、ガスケット14が取り付けられたカソード側セパレータ13と、MEGA11が取り付けられた樹脂枠12とを接着するように構成されている。燃料電池セル10の製造装置20は、ガスケット14と接しない形状に形成された上型21と、超音波振動装置振動23とを備え、カソード側セパレータ13と樹脂枠12とを積層した状態で上型21をカソード側セパレータ13および樹脂枠12に当て、超音波振動装置振動23により、上型21に超音波振動を付与するように構成されている。

0034

この構成により、本実施形態に係る燃料電池セル10の製造装置20は、上型21がガスケット14と接しない形状、即ち、上型21にガスケット逃げ部21bが形成されているので、ガスケット14が上型21で押されることはなくガスケット14が上型21で潰されることはないという効果が得られる。

0035

また、カソード側セパレータ13および樹脂枠12に対して上型21が当てられた状態で、超音波振動装置振動23により、上型21に超音波振動が付与されると、上型21の全体が振動することで、上型21で押されているカソード側セパレータ13の全体が振動する。カソード側セパレータ13の全体が振動すると、カソード側セパレータ13と樹脂枠14との界面の全体に摩擦熱が発生し、カソード側セパレータ13と樹脂枠12との界面の全体が均一に加熱されるという効果が得られる。その結果、カソード側セパレータ13および樹脂枠12の全体が均一に接着(溶着)され、均一な接着強度を確保することができるという効果が得られる。

0036

なお、カソード側セパレータ13を加熱および接合する方法として、カソード側セパレータ13を型によって加熱および加圧する、いわゆるホットプレスによる方法と、ホットプレスによらない方法とがある。本実施形態に係る燃料電池セル10の製造装置20は、ホットプレスによらない方法で構成されている。

0037

ホットプレスによらない方法はさらに、型がカソード側セパレータ13に接触して加熱エネルギーを付与する方法および型がカソード側セパレータ13に非接触で加熱エネルギーを付与する方法があるが、本実施形態に係る燃料電池セル10の製造装置20においては、型がカソード側セパレータ13に接触して加熱エネルギーを付与する方法により構成されており、加熱エネルギーとして超音波振動が付与され、カソード側セパレータ13および樹脂枠12の全体が均一に加熱され接着(溶着)されて、均一な接着強度を確保することができる。

0038

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

0039

10・・・燃料電池セル、11・・・MEGA、12・・・樹脂枠、13・・・カソード側セパレータ(燃料電池セパレータ)、14・・・ガスケット、20・・・製造装置(燃料電池セルの製造装置)、21・・・上型(型)、21a・・・プレス中子、21b・・・ガスケット逃げ部、22・・・下型、23・・・超音波振動装置(振動付与手段)

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