JP6648686B2

JP6648686B2 - 燃料電池用の膜電極接合体の製造装置

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Publication number: JP6648686B2
Application number: JP2016252411A
Authority: JP
Inventors: 勇佐保
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018106932A

Description

本発明は、燃料電池用の膜電極接合体を製造する技術に関する。

一般に、燃料電池用の膜電極接合体の製造では、電解質膜に触媒電極層およびガス拡散層を積層した積層シートを裁断装置によって定型に裁断することが行なわれている。そして特許文献１には、裁断前にイメージセンサーにてカソード（電極）を撮像し、その寸法および位置ズレをチェックし、裁断のための位置合わせを行なうことが開示されている。

特開２０１４−８６１３２号公報

ここで、積層シートの搬送経路の裁断装置の前段において、積層シートの真上からカメラ等の撮像装置にて撮像した撮像画像から裁断位置を決定し、裁断装置において、決定した積層シートの裁断位置に裁断装置の位置合わせを行なって、積層シートを裁断し、定型の膜電極接合体を得る構成を採用した場合、例えば、以下のような問題が発生する。すなわち、撮像画像から電極の位置を検出し、積層シートの裁断位置を決定するためには、撮像対象箇所を十分に照明することが望まれる。しかしながら、撮像対象箇所を撮像する位置の裁断装置側の部分が裁断装置によって陰となって照明が不十分となってしまい、撮像画像から電極の位置を検出することが困難となり、裁断位置の決定が困難となる場合がある、といった問題があった。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池用の膜電極接合体の製造装置が提供される。この膜電接合体の製造装置は：長尺状の電解質膜の表面に枚葉状電極層が積層された積層シートの搬送経路に配置され、前記積層シートの裁断位置を決める裁断位置決定装置と；前記裁断位置決定装置よりも前記搬送経路の下流側に配置された裁断装置であって、前記積層シートの前記裁断位置に位置合わせを行なうとともに、前記積層シートから前記膜電極接合体を裁断する裁断装置と；を備える。前記裁断位置決定装置は：前記搬送経路上に設定された位置検出領域と；前記位置検出領域よりも前記搬送経路の上流側から前記位置検出領域に搬送された前記積層シートの部分を照明する照明装置と；前記積層シートの部分を撮像する撮像装置と；撮像された画像から前記枚葉状電極層のエッジの位置を検出し、前記裁断位置を決定して前記裁断装置に通知する裁断位置決定部と；を備える。前記裁断装置は、前記位置検出領域に搬送された前記積層シートの部分のうち、少なくとも、前記枚葉状電極層の前記搬送経路の下流側のエッジを含む部分を、前記照明装置からの照明光を反射させて照明する反射部材を有する。
この形態の膜電極接合体の製造装置によれば、位置検出領域に搬送された積層シートの部分を、搬送経路の上流側の照明装置からの照明光で照明するとともに、位置検出領域よりも搬送経路の下流側に配置された裁断装置に有する反射部材によって、照明装置からの照明光を反射させて、位置検出領域に搬送された積層シートの部分のうち、少なくとも、枚葉状電極層の搬送経路の下流側のエッジを含む部分を照明することができる。これにより、撮像装置によって撮像された画像から前記枚葉状電極層のエッジの位置を検出する検出精度を向上させ、裁断位置の決定精度を向上させることができる。

本発明は、上記膜電極接合体の製造装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、本発明は、上記膜電極接合体の製造装置を含む燃料電池の製造装置、膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体の製造方法を含む燃料電池の製造方法として実現できる。

積層シートの平面図。積層シートの断面図。裁断の概容を示す説明図。裁断に用いられる裁断システムを積層シートとともに示す説明図。撮像装置による撮像画像を模式的に示す説明図。反射部材が無い場合の撮像装置による撮像画像を模式的に示す説明図。

Ａ．実施形態：
図１及び図２は、燃料電池用の膜電極接合体の製造において用いられる積層シートを示す説明図である。図１は積層シート１０の平面図であり、図２は図１における２−２線矢視断面図である。これらの図に示すように、積層シート１０は、長尺状の矩形である電解質膜２２を含む積層体である。電解質膜２２の一方側の面には、電解質膜２２と同一形状のアノード側触媒電極層２４が設けられている。電解質膜２２の他方側の面における周辺部を除く領域には、矩形のカソード側触媒電極層２６が複数、設けられている。なお、複数のカソード側触媒電極層２６は、電解質膜２２の長尺方向に等間隔で配列されている。アノード側触媒電極層２４と電解質膜２２とカソード側触媒電極層２６とから構成される積層体は、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）２０と呼ばれる。カソード側触媒電極層２６が「枚葉状電極層」に相当する。なお、以下では、積層シート１０の長尺方向をＸ、幅方向をＹ、積層方向をＺとする。

電解質膜２２は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。「ナフィオン」は登録商標である。

アノード側触媒電極層２４およびカソード側触媒電極層２６は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層であり、アノード（水素極）とカソード（酸素極）の役割を果たす。また、アノード側触媒電極層２４およびカソード側触媒電極層２６は、例えば、触媒金属を担持したカーボンブラックや、ナフィオン（登録商標）等の電解質等を溶媒に分散させたいわゆる触媒インクを、電解質膜２２の両面にそれぞれ塗布して、乾燥させることによって形成される。

ＭＥＡ２０におけるアノード側触媒電極層２４側の面には、電解質膜２２及びアノード側触媒電極層２４と同一形状のアノード側ガス拡散層３０が設けられている。

積層シート１０はＭＥＡ２０にアノード側ガス拡散層３０を積層したもので、この積層シート１０をワークとして定型に裁断することにより膜電極接合体を得ることがでる。

図３は、裁断の概容を示す説明図である。図示するように、積層シート１０から図中ハッチングで示した領域（以下、「裁断領域」とも呼ぶ）ＣＡを、せん断加工により打ち抜くことにより、積層シート１０を定型に裁断し、積層シート１０から製品となる部分（以下、「膜電極接合体」と呼ぶ）１０Ａが打ち抜かれ、積層シート１０の残った部分は破材１０Ｂとなる。裁断面は、積層方向Ｚに沿った方向である。領域ＣＡは、矩形で、カソード側触媒電極層２６よりも大きい領域である。膜電極接合体１０Ａには、続く工程において、カソード側ガス拡散層が積層されることで、膜−電極−ガス拡散層アセンブリ（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）が完成する。なお、この膜電極ガス拡散層アセンブリを「膜電極接合体」とも呼ぶ。

図４は、裁断に用いられる裁断システム１０００を積層シート１０とともに示す説明図である。裁断システム１０００は、裁断位置決定装置１００と、裁断装置２００と、制御ユニット３００と、搬送ローラー３１０，３２０と、を備える。搬送ローラー３１０，３２０は、積層シート１０をその長尺方向（Ｘ方向）に搬送する。裁断位置決定装置１００及び裁断装置２００は、その搬送路（搬送経路）の途中に、上流側からこの順で設けられている。

制御ユニット３００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備える周知のコンピュータであり、搬送ローラー３１０，３２０や、裁断位置決定装置１００、裁断装置２００を駆動制御する。

搬送ローラー３１０，３２０は、制御ユニット３００からの制御指令を受けて、積層シート１０のカソード側触媒電極層２６を含む部分を裁断位置決定装置１００の位置検出領域ＤＡに搬送するとともに、裁断位置が決定済みの積層シート１０のカソード側触媒電極層２６を含む部分を裁断装置２００に搬送する。

裁断位置決定装置１００は、照明装置１１０と、支持部１２０と、撮像装置１３０と、裁断位置決定部として機能する制御ユニット３００と、を備える。支持部１２０は、積層シート１０を支持するガイドである。支持部１２０の上部に位置検出領域ＤＡが設定される。照明装置１１０は、位置検出領域ＤＡよりも搬送経路の上流側から位置検出領域ＤＡの方向へ向けて照明光を射出するように斜めに配置されており、搬送によって支持部１２０上の位置検出領域ＤＡに載置された積層シート１０のカソード側触媒電極層２６を含む部分を照明する。撮像装置１３０は、位置検出領域ＤＡに対向配置されており、位置検出領域ＤＡに載置された積層シート１０のカソード側触媒電極層２６を含む部分を撮像する。裁断位置決定部（制御ユニット３００）は、撮像された撮像画像を解析することによりカソード側触媒電極層２６のエッジの位置を検出し、裁断領域ＣＡ（図３）の端縁である裁断位置を決定し、後述する裁断装置２００の駆動装置２３０に通知する。

裁断装置２００は、裁断用の下型２１０と、下型２１０の上方に対面して配置される裁断用の上型２２０と、下型２１０及び上型２２０を駆動する駆動装置２３０と、駆動装置２３０を制御する裁断制御部として機能する制御ユニット３００と、を備える。裁断装置２００は、裁断位置決定装置１００で裁断位置が決定された積層シート１０の部分を、下型２１０と上型２２０とで挟み、裁断位置で決定される裁断領域ＣＡ（図３）を打ち抜くことにより、膜電極接合体１０Ａ（図３）を裁断する。この際、下型２１０及び上型２２０の打ち抜きを行なう部分（不図示）が、下型２１０と上型２２０との間に搬送された積層シート１０の決定済みの裁断位置となるように、下型２１０及び上型２２０の位置合わせが駆動装置２３０によって実行される。裁断された膜電極接合体１０Ａは、不図示の搬送機構によって、カソード側触媒電極層２６上にカソード側ガス拡散層を積層する装置へ搬送されて、その処理が実行される。なお、下型２１０及び上型２２０により構成される裁断機構としては、例えば、特開２０１４−３７０１０号公報や特開２０１３−１７８９９３号公報に記載された裁断機構等の裁断型を用いた種々の一般的な裁断機構を適用可能である。

上型２２０の搬送経路の上流側を向く側面２２２の下端部には、反射部材２２３が設けられている。反射部材２２３は、照明装置１１０からの照明光を反射して、位置検出領域ＤＡ上にあるカソード側触媒電極層２６の下流側のエッジを含む部分を照明するように設定された角度の反射面ＬＲＳを有している。反射面ＬＲＳは、鏡面であることが好ましい。例えば、傾斜した鏡面を有する鏡を反射部材２２３として用いることができる。

図５は、撮像装置１３０による撮像画像を模式的に示す説明図である。図６は、比較例として反射部材２２３が無い場合の撮像装置１３０による撮像画像を模式的に示す説明図である。反射部材２２３が無い場合、以下の問題が発生する場合がある。位置検出領域ＤＡに載置された積層シート１０のカソード側触媒電極層２６の下流側のエッジを含む部分は、上型２２０による陰に入ってしまう可能性が高い。また、照明装置１１０からの照明光は、位置検出領域ＤＡ上にある積層シート１０の部分に対して斜めに照射されるため、カソード側触媒電極層２６の下流側のエッジを含む部分を照明する光量が、上流側のエッジを含む部分に比べて低下する。これらのことから、カソード側触媒電極層２６の下流側のエッジを含む部分を照明する光量が不十分となってしまう可能性が高い。このため、図６に示すように、撮像画像ＰＳｒは、電解質膜２２の画像Ｐ２２とカソード側触媒電極層２６の画像Ｐ２６との境界であるカソード側触媒電極層２６のエッジに相当するエッジ画像Ｐｅ１〜Ｐ４のうち、特に、下流側のエッジ画像Ｐｅ１を含む部分（クロスハッチングで示した領域）が不鮮明となり、カソード側触媒電極層２６のエッジ、特に、下流側のエッジを検出することが困難となる可能性が高い。

これに対して、本実施形態のように反射部材２２３が設けられている場合、反射部材２２３で反射した照明光が、カソード側触媒電極層２６の下流側のエッジを含む部分を照明するので、図５に示すように、撮像画像Ｐｓは、エッジ画像Ｐｅ１〜Ｐｅ４を鮮明とすることができる。このため、カソード側触媒電極層２６のエッジを精度良く検出することができるので、裁断位置を精度良く決定することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の各実施例や各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
上記実施形態では、膜電極接合体の製造装置において裁断するワークは、ＭＥＡ２０にアノード側ガス拡散層３０を積層したものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、ＭＥＡ２０の両側にアノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層とを積層したもの、単にＭＥＡだけのものとすることもできる。

また、アノード側ガス拡散層３０は長尺状の電解質膜２２及びアノード側触媒電極層２４と同一形状のものとしたが（図２）、アノード側ガス拡散層３０を枚葉状の矩形としてもよい。この場合、アノード側触媒電極層２４の面における周辺部を除く領域に、電解質膜２２の長尺方向に等間隔で配置され、アノード側ガス拡散層３０の表面積はカソード側触媒電極層２６の表面積より大きく、積層方向（図２のＺ方向）に見たときに、アノード側ガス拡散層３０の周縁は、カソード側触媒電極層２６の周縁を含むように配置されていることが好ましい。

また、アノード側触媒電極層もカソード側触媒電極層と同様に複数の枚葉状電極層としてもよい。この場合には、アノード側触媒電極層のエッジを検出して裁断位置を決定することも可能である。

・変形例２：
上記実施形態では、上型２２０の側面２２２の下端部に、反射面ＬＲＳが鏡面の反射部材２２３を設けた場合を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、側面２２２の下端部を傾斜した側面とし、その側面を鏡面仕上げすることで反射面ＬＲＳを有する反射部材を設けることもできる。また、この傾斜した側面に反射部材を設けるようにしてもよい。なお、カソード側触媒電極層２６の下流側のエッジを含む領域を照明する光量が十分に得られるのであれば、反射面ＬＲＳは必ずしも鏡面である必要はない。

また、反射面ＬＲＳは、平面に限定されるものではなく、凹面としてもよい。すなわち、反射面ＬＲＳで反射して積層シート１０のカソード側電極層の下流側のエッジを含む領域を照明する光量が十分に得られる形状を有していればよい。

・変形例３：
上記実施形態では、積層シート１０のカソード側触媒電極層２６側を上側として説明したが、カソード側触媒電極層２６側を下側として、裁断位置決定装置１００及び裁断装置２００の配置を上下反対としてもよい。

・変形例４：
上記実施形態では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組合せを行なうことが可能である。また、前述した実施形態及び各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…積層シート
１０Ａ…膜電極接合体
１０Ｂ…破材
２０…ＭＥＡ（膜−電極アセンブリ）
２２…電解質膜
２４…アノード側触媒電極層
２６…カソード側触媒電極層
３０…アノード側ガス拡散層
１００…裁断位置決定装置
１１０…照明装置
１２０…支持部
１３０…撮像装置
２００…裁断装置
２１０…下型
２２０…上型
２２２…側面
２２３…反射部材
２３０…駆動装置
３００…制御ユニット
３１０，３２０…搬送ローラー
１０００…裁断システム
ＣＡ…裁断領域
ＤＡ…位置検出領域
ＬＲＳ…反射面
Ｐ２２…電解質膜の画像
Ｐ２６…カソード側触媒電極層の画像
ＰＳ，ＰＳｒ…撮像画像
Ｐｅ１，Ｐｅ２，Ｐｅ３，Ｐｅ４…エッジ画像
Ｘ…長尺方向（搬送方向）
Ｙ…幅方向
Ｚ…積層方向

Claims

燃料電池用の膜電極接合体の製造装置であって、
長尺状の電解質膜の表面に枚葉状電極層が積層された積層シートの搬送経路に配置され、前記積層シートの裁断位置を決める裁断位置決定装置と、
前記裁断位置決定装置よりも前記搬送経路の下流側に配置された裁断装置であって、前記積層シートの前記裁断位置に位置合わせを行なうとともに、前記積層シートから膜電極接合体を裁断する裁断装置と、
を備え、
前記裁断位置決定装置は、
前記搬送経路上に設定された位置検出領域と、
前記位置検出領域よりも前記搬送経路の上流側から前記位置検出領域に搬送された前記積層シートの部分を照明する照明装置と、
前記積層シートの部分を撮像する撮像装置と、
撮像された画像から前記枚葉状電極層のエッジの位置を検出し、前記裁断位置を決定して前記裁断装置に通知する裁断位置決定部と、
を備え、
前記裁断装置は、前記位置検出領域に搬送された前記積層シートの部分のうち、少なくとも、前記枚葉状電極層の前記搬送経路の下流側のエッジを含む部分を、前記照明装置からの照明光を反射させて照明する反射部材を有する、膜電極接合体の製造装置。