JP2018147811A - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの連続体をロール状に巻き取る際に、層間のセパレータ同士の接触を抑制する。
【解決手段】セパレータロール１４の形成に当たり、隣り合うセパレータ２２，２２の間に、当該セパレータ２２の凹凸溝部２４よりも突出する凹凸脚部２６を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セルの製造方法に関する。

燃料自動車の電源等に用いられる燃料電池は、複数の燃料電池セル（単電池）が積層され互いに接続されている。例えば固体高分子膜型の燃料電池セルは、固体高分子膜の両面に触媒電極が設けられたシート状の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡ膜と記載する）と、ＭＥＡ膜の両面に設けられたセパレータとを含む。セパレータの面のうち、ＭＥＡ膜との対向面には酸素（酸素極側）または水素（燃料極側）をＭＥＡ膜に供給するための溝（チャネル）が形成されている。また、セパレータはセル内で発生した電流を隣のセルに流す役割も担っており、導電性部材から構成される。

例えば特許文献１に記載されているように、従来、燃料電池セルの製造プロセスでは、ロール状に巻かれたＭＥＡ膜が引き出され、その両面から個別にカットされたセパレータを接着させている。

特開２００５−１８３１８２号公報

ところで、セパレータの個別搬送に伴う搬送負荷の軽減を図るために、ＭＥＡ膜と同様に、セパレータも個別に切り離す前の連続体（セパレータシート）の状態でロール状に巻いて、そのロール単位で燃料電池セルの製造ラインまで搬送することが考えられる。

しかしながらセパレータシートをロール状に巻く過程で、巻きの緩みや締めに応じて層間のセパレータが相対移動して擦れ合う。セパレータの表面には電気抵抗を低減する為の被膜が形成されている場合があり、擦れ合いによって被膜が損傷するおそれがある。

そこで本発明は、セパレータの連続体をロール状に巻き取る際に、層間のセパレータ同士の接触を抑制可能な、燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池セルの製造方法に関する。当該方法では、固体高分子膜の両面に触媒電極を設けた膜電極接合体を間隔を置いて複数形成した膜電極接合体シートを巻き取って膜電極接合体ロールを形成する。さらに、導電性板部材に空気または水素を通流させる凹凸溝部を形成してセパレータとし、当該セパレータを間隔を置いて複数形成してセパレータシートとしてこれを巻き取ってセパレータロールを形成する。加えて、膜電極接合体ロールから膜電極接合体シートを引き出すとともに、引き出された膜電極接合体シートの両面に対向する様にして一対のセパレータロールからセパレータロールを引き出す。さらに、膜電極接合体とこれを挟む一対のセパレータを接合して接合体を形成する。加えて、接合体を膜電極接合体シート及びセパレータシートから切り離す。これらのステップにおいて、セパレータロールの形成に当たり、隣り合うセパレータの間に、当該セパレータの凹凸溝部よりも突出する凹凸脚部を形成する。

本発明では、セパレータシートをロール状に巻き取る際に、層間で凹凸脚部同士が専ら接触し、その結果、セパレータ同士の接触が抑制可能となる。

本実施形態に係る燃料電池セルの製造工程を説明する図である。 本実施形態に係るセパレータロールの製造工程を説明する図である。 セパレータロールの一部拡大図を例示する図である。

図１に、本実施形態に係る燃料電池セル１０の製造工程を例示する。この製造工程では、膜電極接合体ロール１２（以下、ＭＥＡロールと記載する）、及び一対のセパレータロール１４Ａ，１４Ｂから燃料電池セル１０を製造する。ＭＥＡロール１２、及び、セパレータロール１４Ａ，１４Ｂは、例えば図１の製造ラインとは異なるロール形成ラインにてそれぞれ製造される。

ＭＥＡロール１２は膜電極接合体シート１６（以下、ＭＥＡシートと記載する）が巻き取られた捲回体である。ＭＥＡシート１６には、間隔を置いて膜電極接合体１８（以下、ＭＥＡ膜と記載する）が複数形成されている。ＭＥＡ膜１８は、固体高分子膜の両面に触媒電極が設けられている。ＭＥＡシート１６の、隣接するＭＥＡ膜１８，１８間には、後述する位置センサ３２Ｃが識別可能なマーク（図示せず）が設けられている。

一対のセパレータロール１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ、セパレータシート２０Ａ，２０Ｂが巻き取られた捲回体である。セパレータシート２０Ａ，２０Ｂには、間隔を置いて複数のセパレータ２２Ａ，２２Ｂが形成されている。

燃料電池セル１０の製造に当たり、ＭＥＡシート１６の両面に対向するようにして、一対のセパレータロール１４Ａ，１４Ｂからセパレータシート２０Ａ，２０Ｂが引き出される。セパレータ２２Ａ，２２Ｂの一方は、燃料電池セル１０の酸素極（カソード）側に設けられるカソードセパレータとなり、他方は燃料極（水素極、アノード）側に設けられるアノードセパレータとなる。以下では適宜、セパレータ２２Ａをカソードセパレータとして、セパレータ２２Ｂをアノードセパレータとして説明する。

セパレータ２２Ａ（カソードセパレータ）の、ＭＥＡ膜１８と対向する面には、酸素を通流させる凹凸溝部２４Ａが形成される。同様にして、セパレータ２２Ｂ（アノードセパレータ）の、ＭＥＡ膜１８と対向する面には、水素を通流させる凹凸溝部２４Ｂが形成される。後述するように、凹凸溝部２４Ａ，２４Ｂは導電性板部材を例えばプレス加工することで形成されるから、ＭＥＡ膜１８を向く面とは反対側の面にも凹凸部が形成される。

また、セパレータシート２０Ａの隣り合うセパレータ２２Ａ，２２Ａ、及び、セパレータシート２０Ｂの隣り合うセパレータ２２Ｂ，２２Ｂの間には、凹凸脚部２６及びノッチ２８（図２参照）が設けられる。また、後述する位置センサ３２Ａ，３２Ｂが識別可能なマーク（図示せず）も設けられている。これらの構成については後述する。

図１に戻り、搬送ローラ３０Ａ，３０Ｂによりセパレータシート２０Ａ，２０Ｂがセパレータロール１４Ａ，１４Ｂから引き出される。セパレータシート２０Ａ，２０Ｂの搬送状況は位置センサ３２Ａ，３２Ｂにより監視される。位置センサ３２Ａ，３２Ｂは例えば監視カメラであってよい。

同様にして、搬送ローラ３０ＣによりＭＥＡシート１６がＭＥＡロール１２から引き出される。ＭＥＡロール１２の搬送状況は位置センサ３２Ｃにより監視される。位置センサ３２Ｃは例えば監視カメラであってよい。

位置センサ３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃはそれぞれ図示しない制御部に検出信号を送信する。制御部では位置センサ３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃの検出信号に基づき、セパレータ２２Ａ、ＭＥＡ膜１８、及びセパレータ２２Ｂが接合部３４にて互いに位置合わせされるように、搬送ローラ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの搬送速度（送り速度）を適宜調整する。

接合部３４では位置合わせされたセパレータ２２Ａ，ＭＥＡ膜１８、及びセパレータ２２Ｂが接合（接着）される。この接合体がカッター３６によって、セパレータシート２０Ａ，２０Ｂ、及びＭＥＡシート１６から切り離されて燃料電池セル１０となる。燃料電池セル１０は例えばベース３８上に積層される。

なお、図１では、カソードセパレータ２２Ａ及びアノードセパレータ２２Ｂの凹凸溝部２４Ａ，２４Ｂの延設方向を平行としているが、この形態に限らない。例えば凹凸溝部２４Ａと凹凸溝部２４Ｂの延設方向を交差させてもよい。例えば９０°で交差させてもよい。この場合、セパレータシート２０Ａ，２０Ｂの一方が、接合部３４に入る前にカッター３６により切断されてセパレータ２２Ａ，２２Ｂが切り出され、さらに図示しないステージ等によって回転される。その後、接合部３４にてＭＥＡ膜１８と接合される。

＜セパレータロールの製造工程＞
図２には、セパレータロール１４の製造工程が例示されている。セパレータロール１４の製造ラインは、例えば図１に示す燃料電池セル１０の製造ラインとは異なるラインにて製造される。なお本工程はセパレータロール１４Ａ，１４Ｂのどちらにも適用が可能であることから、以下では適宜符号Ａ，Ｂを省略する。

セパレータロール１４の製造工程は、大きく分けて凹凸形成、ノッチ形成、洗浄乾燥、及び巻き取りの４工程を含む。またセパレータロール１４の製造に当たり、その材料としてチタン等の導電性板部材４０が用いられる。

凹凸形成工程では、導電性板部材４０がパンチ４２及びダイ４４に加圧されることで、凹凸溝部２４及び凹凸脚部２６が形成される。凹凸溝部２４及び凹凸脚部２６は例えば導電性板部材４０の搬送方向とは垂直に延設される。凹凸溝部２４の凹凸個数は、これと接合されるＭＥＡ膜１８のサイズ等により定められる。なお、パンチ４２及びダイ４４によるプレス成形に代えて、ロール成形によって凹凸溝部２４及び凹凸脚部２６を形成してもよい。

図２下部の破線円に、セパレータシート２０の一部拡大図を示す。凹凸脚部２６は、セパレータ２２すなわち凹凸溝部２４の両端に設けられる。言い換えると、隣り合う凹凸溝部２４，２４（セパレータ２２，２２）の間に凹凸脚部２６が形成される。以下適宜、セパレータ２２とその両端の凹凸脚部２６，２６のひと纏まりをセパレータユニット４５と呼ぶ。

凹凸脚部２６は、凹凸溝部２４よりも突出するように形成される。例えば図２を例に取ると、凹凸脚部２６は、導電性板部材４０の板面４６から鉛直上方向に突出する突出高さＨ１が、凹凸溝部２４の突出高さＨ２を超過するように、パンチ４２及びダイ４４の型が形成されている。後述するように、セパレータシート２０を巻き取ってセパレータロール１４を構成する際に、層間のセパレータシート２０間で凹凸脚部２６同士が当接することで、凹凸溝部２４すなわちセパレータ２２同士の接触が避けられる。

なお、燃料電池セル１０の製造工程において、凹凸溝部２４と凹凸脚部２６の間が切断されるため、凹凸溝部２４と凹凸脚部２６の間隔Ｌ１は、カッター３６（図１参照）の刃幅Ｌ２を超過する（Ｌ１＞Ｌ２）ものであることが好適である。

また、隣り合う凹凸脚部２６，２６の間隔Ｗ１は、個々のセパレータユニット４５間でそれぞれ異なっていてもよい。後述するように、セパレータシート２０をロールボビン５２に巻き取る際に、巻き取り層が上層となるほど周長が増加する。これを踏まえて、巻き取り層の上層に当たる部分は、下層に当たる部分と比較して、凹凸脚部２６，２６の間隔Ｗ１（ピッチ）を広く取るようにしてもよい。例えば、ロールボビン５２の回転数（巻数）に応じて、ピッチＷ１を適宜変更する。定性的にはロールボビン５２の巻数が増加するほど、ピッチＷ１を広く取る。

また、隣り合う凹凸脚部２６，２６間にノッチ２８が形成される。ノッチ２８は例えば凹凸溝部２４及び凹凸脚部２６がプレス加工された後に、ノッチカッター４８にて導電性板部材４０に形成される。後述するように、このノッチ２８はセパレータロール１４を形成する際に、セパレータシート２０を折り曲げる折り目として機能する。なお、凹凸脚部２６，２６間に形成されるノッチ２８は１個に限らず、複数設けてもよい。例えば図３に示すように、所定層とその上層との移行部分には、ノッチ２８が２個設けられていてよい。

凹凸溝部２４、凹凸脚部２６、及びノッチ２８が形成された導電性板部材４０（セパレータシート２０）は続いて洗浄・乾燥工程に進む。セパレータシート２０は洗浄・乾燥器５０に導入され、プレス加工油や金属屑等が取り除かれる。さらに乾燥後のセパレータシート２０がロールボビン５２に巻き取られてセパレータロール１４（セパレータコイル）となる。

本実施形態に係るロールボビン５２はその外周面が側面視で多角形となるように形成されている。外周面を側面視で円形とすると、その円形に倣ってセパレータシート２０が曲げられ、個々のセパレータ２２が湾曲変形する。ロールボビン５２の外周面を多角形とすることで、セパレータ２２は平面状に積層されることになり、湾曲変形が抑制される。

ロールボビン５２は側面視多角形であればよく、例えば図２のように１２角形でもよいし、図１のように６角形でもよい。また１辺の長さはセパレータユニット４５と略同一であってよい。

図３には、図２の破線Ａで示す、ロールボビン５２に巻き取られるセパレータシート２０の一部拡大図が例示されている。隣り合うセパレータユニット４５，４５はノッチ２８を折り目にして直線的に折り曲げられる。

さらに、図示されているように、巻き取られた層間のセパレータユニット４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃは、凹凸脚部２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ同士が専ら当接し、凹凸溝部２４（すなわちセパレータ２２）は互いに離間される。これにより、セパレータロール１４の形成に当たり、セパレータ２２同士の擦れ合いが免れる。

１０ 燃料電池セル、１２ 膜電極接合体ロール（ＭＥＡロール）、１４ セパレータロール、１６ 膜電極接合体シート（ＭＥＡシート）、１８ 膜電極接合体（ＭＥＡ膜）、２０ セパレータシート、２２ セパレータ、２４ 凹凸溝部、２６ 凹凸脚部、２８ ノッチ、４０ 導電性板部材、４５ セパレータユニット、４６ 板面、４８ ノッチカッター、５０ 洗浄・乾燥器、５２ ロールボビン。

Claims (1)

1. 固体高分子膜の両面に触媒電極を設けた膜電極接合体を間隔を置いて複数形成した膜電極接合体シートを巻き取って膜電極接合体ロールを形成し、
   導電性板部材に空気または水素を通流させる凹凸溝部を形成してセパレータとし、当該セパレータを間隔を置いて複数形成してセパレータシートとしてこれを巻き取ってセパレータロールを形成し、
   前記膜電極接合体ロールから前記膜電極接合体シートを引き出すとともに、引き出された前記膜電極接合体シートの両面に対向する様にして一対の前記セパレータロールから前記セパレータロールを引き出し、
   前記膜電極接合体とこれを挟む一対の前記セパレータを接合して接合体を形成し、
   前記接合体を前記膜電極接合体シート及びセパレータシートから切り離す、
   燃料電池セルの製造方法であって、
   前記セパレータロールの形成に当たり、隣り合う前記セパレータの間に、当該セパレータの前記凹凸溝部よりも突出する凹凸脚部を形成する、燃料電池セルの製造方法。