特許 6885695 燃料電池部品の製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6885695

(24)【登録日】2021年5月17日

(45)【発行日】2021年6月16日

(54)【発明の名称】燃料電池部品の製造装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0273 20160101AFI20210603BHJP

   H01M 8/0276 20160101ALI20210603BHJP

   H01M 8/0286 20160101ALI20210603BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20210603BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20210603BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0273

   H01M8/0276

   H01M8/0286

   H01M4/86 B

   !H01M8/10 101

【請求項の数】8

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-172720(P2016-172720)

(22)【出願日】2016年9月5日

(65)【公開番号】特開2017-157547(P2017-157547A)

(43)【公開日】2017年9月7日

【審査請求日】2019年8月9日

(31)【優先権主張番号】10-2016-0026657

(32)【優先日】2016年3月4日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】591251636

【氏名又は名称】現代自動車株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＨＹＵＮＤＡＩ ＭＯＴＯＲ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】特許業務法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金 榮 建

(72)【発明者】

【氏名】李 ソン 浩

【審査官】 小森 重樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０１５９６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１４１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５０５０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５０８６２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２７３

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ８／０２７６

Ｈ０１Ｍ ８／０２８６

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス拡散層が積載されたマガジンからコンベアの入口側に前記ガス拡散層をローディングさせ、前記コンベアの出口側に前記ガス拡散層をアンローディングする移動装置と、
前記コンベアの設定された位置に配置され、前記ガス拡散層の周縁の設定された位置に接着層を形成する接着層形成装置と、
前記ガス拡散層に形成された前記接着層を乾燥させる乾燥装置と、
前記接着層が形成された前記ガス拡散層に対する映像を感知する検査ビジョンと、
前記移動装置、前記接着層形成装置、および前記乾燥装置を制御し、前記検査ビジョンから感知される映像情報を通して、前記ガス拡散層に形成された前記接着層の形態を判断する制御部と、を含むことを特徴とする燃料電池部品の製造装置。

【請求項2】

前記接着層形成装置は、
前記ガス拡散層の設定された周縁領域に前記接着層を形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池部品の製造装置。

【請求項3】

前記接着層形成装置は、
前記ガス拡散層の周縁に沿って連続的に前記接着層を形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池部品の製造装置。

【請求項4】

前記接着層形成装置は、
前記ガス拡散層の周縁に沿って設定された間隔をおいて前記接着層を形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池部品の製造装置。

【請求項5】

前記乾燥装置は、
設定された温度に加熱された空気を用いて前記ガス拡散層と前記接着層に熱を加えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池部品の製造装置。

【請求項6】

前記移動装置は、前記ガス拡散層に付着した間紙を分離して設定された位置に移動させ、
前記間紙が分離された前記ガス拡散層を前記コンベアの入口側にローディングすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池部品の製造装置。

【請求項7】

前記乾燥装置は、
設定された温度に加熱された加熱板を用いて前記ガス拡散層と前記接着層に熱を加えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池部品の製造装置。

【請求項8】

前記接着層形成装置は、
接着剤を噴射して、前記ガス拡散層の周縁の設定された位置に接着層を形成する噴射ノズルと、
前記噴射ノズルから噴射される接着剤と前記ガス拡散層に形成された接着層に対する映像データを感知するカメラとを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池部品の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池部品およびその製造装置に係り、より詳しくは、ガス拡散層の一部に接着剤を塗布し、これをＭＥＡとサブガスケットに付着させることで、費用を節減し、接着剤が電極側に移動するのを防止し、性能を向上させる燃料電池部品およびその製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高分子電解質燃料電池は、最も内側に主要構成部品の膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が位置し、電解質膜を中心としてその両面に燃料極および空気極のための触媒層が位置した状態を３−レイヤ（ｌａｙｅｒ）膜−電極接合体と呼ぶ。
同時に、前記触媒層の外側部分にガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）がさらに積層された状態を５−レイヤ（ｌａｙｅｒ）膜−電極接合体と呼ぶ。
前記膜−電極接合体は、高分子電解質膜と、その両側に位置する触媒層（電極）のほか、サブガスケットをさらに含むが、このサブガスケットは、膜−電極接合体のハンドリング（Ｈａｎｄｌｉｎｇ）を容易にし、高分子電解質膜の両面の縁領域に触媒層（電極）の厚さより厚く接合され、大体、不活性のＰＥ、ＰＥＮなどの高分子フィルムを使用する。
このように構成された膜−電極接合体のガス拡散層の外側部分に燃料を供給し、反応により発生した水を排出するように流路（Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ）の形成された分離板が積層されると、１つの単位電池となり、この単位電池を複数個積層すれば所望する規模の燃料電池スタックとなる。

【0003】

前記膜−電極接合体を製造する方法は、前記ガス拡散層に燃料極および空気極のための触媒層を直接塗布して高分子電解質膜と接合させるＣＣＧ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ ｏｎ ＧＤＬ）方法により５−レイヤの膜−電極接合体を作る方法があり、これに対し、燃料極および空気極のための触媒層を高分子電解質膜に直接塗布して作るＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ ｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）方法により３−レイヤの膜−電極接合体を作る方法がある。
触媒層をガス拡散層に直接塗布するＣＣＳ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ ｏｎ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）あるいはＣＣＧ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ ｏｎ ＧＤＬ）方法によれば、燃料極および空気極のための触媒層をガス拡散層に直接塗布した後、熱圧着過程によって触媒層と高分子電解質膜との間の接合がなされるようにすることで、５−レイヤの膜−電極接合体を作製することができる。
これに対し、触媒層を高分子電解質膜に直接塗布するＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ ｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）方法によれば、燃料極および空気極のための触媒層を高分子電解質膜に直接塗布して３−レイヤの膜−電極接合体を作製できるが、前記触媒層上にガス拡散層を積層した後、プレスして接合させる別途の工程を必要とする。

【0004】

つまり、ＣＣＭ方法は、膜−電極接合体すなわち、高分子電解質膜に触媒層が直接塗布された３−レイヤの膜−電極接合体を作製した後、自動化装備を用いて複数のセルを積層するスタック製造工程に投入される時、触媒層上にガス拡散層を接合する工程が必須となる。
このような膜−電極接合体を製造する方法のうち、ＣＣＭ方法は、燃料電池スタック量生産のための量産性を考慮すれば、次のような問題がある。
ＣＣＭ方法により作製された３−レイヤの膜−電極接合体にガス拡散層を別の熱圧着工程で臨時接合させると、前記触媒層とガス拡散層との間に界面が形成され、同時に、前記サブガスケットとガス拡散層との間に界面が形成される。
この時、前記触媒層とガス拡散層との間の界面は、燃料電池反応が起こる界面であり、前記サブガスケットとガス拡散層との間の界面は、燃料電池反応と関係ない界面である。
しかし、前記触媒層とガス拡散層、または前記サブガスケットとガス拡散層は、互いに別の接着手段なしに熱圧着により接合されることによって、その接合力が弱いという欠点があり、燃料電池スタックの大量生産のための保管（待機）期間が長くなると、接合力がさらに弱くなり、ついには触媒層とガス拡散層との間の剥離現象が発生する危険性もある。この点に鑑みて、従来は、触媒層とガス拡散層との間の接合力を増進させるべく、ガス拡散層にナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）のようなアイオノマー（Ｉｏｎｏｍｅｒ）を塗布して触媒層に熱圧着させた方法が提案されたが、触媒層と接するガス拡散層の界面物性が親水性（Ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ）の性質を有するため、接合力を増進させるには問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３−１７８９８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、サブガスケット全体に接着剤を塗布せず、サブガスケットとガス拡散層との間の設定された領域にのみ接着剤を塗布することで、接着剤費用を節減し、接着剤が電極に対応する反応面に流入することを最小にして気密問題を解消し、電池性能を向上させることができる燃料電池部品およびその製造装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

また、本発明の燃料電池部品の製造装置は、ガス拡散層が積載されたマガジンからコンベアの入口側に前記ガス拡散層をローディングさせ、前記コンベアの出口側に前記ガス拡散層をアンローディングする移動装置と、前記コンベアの設定された位置に配置され、前記ガス拡散層の周縁の設定された位置に接着層を形成する接着層形成装置と、前記ガス拡散層に形成された前記接着層を乾燥させる乾燥装置と、前記接着層が形成された前記ガス拡散層に対する映像を感知する検査ビジョンと、前記移動装置、前記接着層形成装置、および前記乾燥装置を制御し、前記検査ビジョンから感知される映像情報を通して、前記ガス拡散層に形成された前記接着層の形態を判断する制御部とを含むことを特徴とする。

【0016】

前記接着層形成装置は、前記ガス拡散層の設定された周縁領域に前記接着層を形成することを特徴とする。

【0017】

前記接着層形成装置は、前記ガス拡散層の周縁に沿って連続的に前記接着層を形成することを特徴とする。

【0018】

前記接着層形成装置は、前記ガス拡散層の周縁に沿って設定された間隔をおいて前記接着層を形成することを特徴とする。

【0019】

前記乾燥装置は、設定された温度に加熱された空気を用いて前記ガス拡散層と前記接着層に熱を加えることを特徴とする。

【0020】

前記移動装置は、前記ガス拡散層に付着した間紙を分離して設定された位置に移動させ、前記間紙が分離された前記ガス拡散層を前記コンベアの入口側にローディングすることを特徴とする。

【0021】

前記乾燥装置は、設定された温度に加熱された加熱板を用いて前記ガス拡散層と前記接着層に熱を加えることを特徴とする。

【0022】

前記接着層形成装置は、接着剤を噴射して、前記ガス拡散層の周縁の設定された位置に接着層を形成する噴射ノズルと、前記噴射ノズルから噴射される接着剤と前記ガス拡散層に形成された接着層に対する映像データを感知するカメラとを含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、ガス拡散層における電極に対応する反応面には接着剤を塗布せず、サブガスケットとガス拡散層との間の設定された領域にのみ接着剤を塗布することで、接着剤費用を節減し、接着剤が電極に対応する反応面に流入することを最小にして気密問題を解消し、電池性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池部品の概略的な分解斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係る燃料電池部品の断面図である。

【図3】本発明の実施形態に係る燃料電池部品製造装置の概略的な構成図である。

【図4】本発明の実施形態に係る燃料電池部品の平面図である。

【図5】本発明の実施形態に係る燃料電池部品の製造方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池部品の概略的な分解斜視図である。
図１に示す通り、燃料電池部品は、ＭＥＡ１００と、サブガスケット１２０と、上部ガス拡散層１０５ａと、下部ガス拡散層１０５ｂと、接着層１１５とを含む。
ＭＥＡ１００は、高分子電解質膜２０４と、電解質膜２０４の一面と他面にそれぞれ形成されるアノード電極２０２およびカソード電極２００とを含み、サブガスケット１２０は、ＭＥＡ１００の周縁側面をカバーし、外側方向に延びる。
上部ガス拡散層１０５ａと下部ガス拡散層１０５ｂは、ＭＥＡ１００の上部面と下部面にそれぞれ付着し、周縁面はサブガスケット１２０とも付着する。同時に、上部ガス拡散層１０５ａと下部ガス拡散層１０５ｂにおいてサブガスケット１２０と向き合う周縁面には接着層１１５が形成される。
本発明の実施形態において、上部ガス拡散層と下部ガス拡散層を通称してガス拡散層１０５と呼ぶことがある。

【0026】

図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池部品の断面図である。
図２に示す通り、燃料電池部品は、電解質膜２０４と、アノード電極２０２と、カソード電極２００と、サブガスケット１２０と、接着層１１５とを含む。
電解質膜２０４の一面と他面にアノード電極２０２およびカソード電極２００が形成され、電解質膜２０４の周縁部は、アノード電極２０２およびカソード電極２００の側面から設定距離突出する。
サブガスケット１２０は、アノード電極２０２、カソード電極２００、および電解質膜２０４の側面をカバーするように側面から外側方向に延び、サブガスケット１２０の厚さは、アノード電極２０２、電解質膜２０４、およびカソード電極２００の全体厚さよりも厚い。
本発明の実施形態において、上部ガス拡散層１０５ａと下部ガス拡散層１０５ｂがアノード電極２０２とカソード電極２００に付着し、上部ガス拡散層１０５ａおよび下部ガス拡散層１０５ｂの周縁面は、サブガスケット１２０の外面にも付着する。

【0027】

同時に、上部ガス拡散層１０５ａの周縁面とサブガスケット１２０の外面との間、および下部ガス拡散層１０５ｂの周縁面とサブガスケット１２０の外面との間には、それぞれ接着層１１５が形成される。
接着層１１５がサブガスケット１２０に全体として形成されず、上部ガス拡散層１０５ａとサブガスケット１２０との間、および下部ガス拡散層１０５ｂとサブガスケット１２０との間の接触面にのみ形成されるため、接着層１１５の接着剤がアノード電極２０２とカソード電極２００側に流入せず、燃料電池スタックの性能を安定的に維持することができる。

【0028】

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池部品製造装置の概略的な構成図である。
図３に示す通り、燃料電池部品の製造装置は、移動装置３００と、ガス拡散層マガジン３０５と、間紙マガジン３１０と、ガス拡散層１０５と、コンベア３１５と、接着層形成装置３２０と、乾燥装置３３０と、検査ビジョン３４０と、制御部３３３とを含む。
移動装置３００は、ガス拡散層マガジン３０５から間紙を間紙マガジン３１０に排出し、ガス拡散層１０５をガス拡散層マガジン３０５で吸着してコンベア３１５の入口側にローディングする。
コンベア３１５にローディングされたガス拡散層１０５は、接着層形成装置３２０を経由し、接着層形成装置３２０は、ガス拡散層１０５の設定された領域に接着剤を塗布して接着層１１５を形成する。
接着層形成装置は、接着剤を噴射して塗布する噴射ノズル３６０と、塗布される接着剤を映像データとして感知するカメラ３６５とを含み、制御部は、カメラから感知される映像データを用いて、噴射ノズルから噴射される接着剤の量と噴射ノズルの移動速度を制御することができる。

【0029】

そして、乾燥装置３３０は、約１００℃の熱風を用いてガス拡散層１０５と接着層１１５を全体的に乾燥させることができ、加熱された熱板を用いてガス拡散層と接着層を乾燥させることができる。
同時に、検査ビジョン３４０（例えば、検査ビジョンカメラ）は、ガス拡散層１０５に形成された接着層１１５の形態を感知し、感知データを制御部３３３に送信する。
制御部３３３は、検査ビジョン３４０から送信された接着層１１５の形態を感知して厚さ、幅、位置を演算し、接着層１１５の形態が正常および異常であるかを判断する。
同時に、制御部３３３は、移動装置３００を制御して、ガス拡散層１０５をコンベア３１５にローディングしたりアンローディングし、乾燥装置３３０と接着層形成装置３２０を制御する。
制御部３３３は、設定されたプログラムによって動作する１つ以上のマイクロプロセッサで実現され、設定されたプログラムは、本発明の実施形態に係る方法を行うための一連の命令を含む。

【0030】

図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池部品の平面図である。
図４に示す通り、ガス拡散層１０５の周縁の一面に接着層１１５が形成され、接着層１１５は、ガス拡散層１０５の幅方向の周縁の一面に長さ方向に形成される。
接着層１１５は、アノード電極２０２およびカソード電極２００に対応する反応境界４００の外側に形成され、接着層１１５は、ガス拡散層１０５の外側面と反応境界４００との間の設定された領域に連続的に形成される。
同時に、接着層１１５は、ガス拡散層１０５の外側面と反応境界４００との間の設定された領域に設定された間隔をおいて不連続的に形成される。

【0031】

図５は、本発明の実施形態に係る燃料電池部品の製造方法を示すフローチャートである。
図５に示す通り、Ｓ５００において、制御部３３３は、移動装置３００を制御して、ガス拡散層１０５を吸着し、移送する。ここで、ガス拡散層１０５に付着した間紙は、設定された位置に排出される。
Ｓ５１０において、移動装置３００は、吸着されたガス拡散層１０５をコンベア３１５の入口側にローディングさせる。そして、Ｓ５２０において、接着層形成装置３２０は、ガス拡散層１０５の設定された領域に接着層１１５を形成し、Ｓ５３０において、乾燥装置３３０は、熱風を用いて接着層１１５を乾燥させる。
次に、Ｓ５４０において、検査ビジョン３４０は、ガス拡散層１０５に形成された接着層１１５の形態を感知し、これを制御部３３３に送信し、制御部３３３は、接着層１１５の形態が正常であるかを判断する。

【0032】

そして、Ｓ５５０では、移動装置３００がコンベア３１５の出口側から排出されるガス拡散層１０５を吸着してアンローディングし、設定された場所に積載する。接着層の幅は約２ｍｍであり、乾燥後の幅は約３ｍｍで実現され、熱風乾燥温度は摂氏約１００度である。接着層が乾燥した状態で、検査ビジョンにより感知された形態に応じて、制御部は、正常なガス拡散層と異常なガス拡散層を分離してそれぞれ積載する。
同時に、接着層の塗布品質を向上させるために、周辺の温度は摂氏２２度±１以内であり、湿度は７０％±１０以内であり、検査ビジョンは、レーザを用いて接着層の塗布厚さ、幅、および位置を感知することができ、接着層形成装置は、接着剤の供給および吐出量をリアルタイムでモニタリングすることができる。

【0033】

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

【符号の説明】

【0034】

１００：ＭＥＡ
１０５ａ：上部ガス拡散層
１０５ｂ：下部ガス拡散層
１１５：接着層
１２０：サブガスケット
２００：カソード電極
２０２：アノード電極
２０４：電解質膜
３００：移動装置
３０５：ガス拡散層マガジン
３１０：間紙マガジン
３１５：コンベア
３２０：接着層形成装置
３３０：乾燥装置
３３３：制御部
３４０：検査ビジョン
４００：反応境界

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】