JP5374825B2

JP5374825B2 - 燃料電池セルの製造装置

Info

Publication number: JP5374825B2
Application number: JP2007107237A
Authority: JP
Inventors: 克久田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2027-04-16
Also published as: JP2008269809A

Description

本発明は、燃料電池セルの製造装置に関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池が注目されている。

一般的に、固体高分子電解質型燃料電池などの燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）をセパレータで挟んで構成した燃料電池セルを、複数個積層して構成される。燃料電池セルにおける膜−電極アッセンブリは、高分子イオン交換膜からなる高分子電解質膜の両側に、それぞれ水素極（アノード極）及び空気極（カソード極）を対設した構造をとる。水素極（アノード極）及び空気極（カソード極）は、それぞれ、高分子電解質膜上に形成された触媒層と、さらにその上に形成されたガス拡散層とからなる。すなわち、膜−電極アッセンブリは、高分子電解質膜を触媒層で挟み、さらにガス拡散層で挟んで一体化した構成となっている。

ところで、このような構成の燃料電池セルの製造方法については、例えば下記特許文献１に記載のものがある。特許文献１には、保護シートと共にシート状に展開して燃料電池セルの製造装置に供給される電解質膜の少なくとも一方の縁部分に搬送ローラの送り突起に順次係合する搬送穴を設ける一方、同じく燃料電池セルの製造装置に供給されるガス拡散層（若しくは、セパレータ）を搬送する搬送フィルムにも、搬送ローラの送り突起に順次係合する搬送穴を設け、両搬送穴を基準として、ガス拡散層（若しくは、セパレータ）とＭＥＡフィルム（例えば、電解質膜の両面に触媒層を有するフィルム）とを位置決めして組付け、接合させる、といった技術が開示されている。

また、ガス拡散層をガス拡散層搬送パレットに載せて燃料電池セルの製造装置に供給するにあたり、積層した状態でまとめて供給された複数枚のガス拡散層から、吸着パッドを用いて１枚ずつガス拡散層搬送パレットに載せる移載装置について開示されており、この移載装置では、吸着パッドにより１枚ずつガス拡散層を吸着して保持し、ガス拡散層搬送パレットまで搬送して１枚ずつガス拡散層搬送パレット上に載せる技術が適用されている。

特開２００５−１８３１８２号公報

しかしながら、上記従来技術において、積層状態の複数枚のガス拡散層から、吸着パッドによって最上のガス拡散層を１枚だけ取り出して搬送しようとした場合に、ガス拡散層は透気性があるため、その下のガス拡散層も同時に吸着してしまう、すなわち複数枚のガス拡散層を吸着して保持し、搬送してしまうといった事態が生じ得る。

このような事態が生じると、１枚だけ取り出すべきところを複数枚取り出してしまうことで、燃料電池セルの製造装置に異状が発生したとして製造装置が停止してしまう、あるいは余分に吸着した分のガス拡散層を取り除くのに余計な作業時間を要してしまう、等によって、燃料電池セルの生産性が低下するといった問題が生じる。

本発明の目的は、ガス拡散層のようなＭＥＡを構成する基材（ＭＥＡ用基材）を確実に１枚ずつ搬送可能にする燃料電池セルの製造装置を提供することにある。

本発明に係る燃料電池セルの製造装置は、電解質膜およびガス拡散層をＭＥＡ用基材として含み、積層されたＭＥＡ用基材を１枚ずつ吸着保持して搬送し、所定位置にて組付けを行う燃料電池セルの製造装置であって、ＭＥＡ用基材を吸着する中空構造の吸着ハンドであって、中空構造の底面が複数の吸着孔を有して押圧によって上下方向に撓むように弾性変形する弾性プレートである吸着ハンドと、複数枚のＭＥＡ用基材が吸着されるのを抑制する吸着抑制手段として、吸着ハンドによってＭＥＡ用基材を吸着した状態で、弾性プレートをＭＥＡ用基材側に向かって下凸に変形させて次のＭＥＡ用基材を積層位置に落とすように、中空構造の下方向に弾性プレートを押圧する押圧手段と、吸着ハンドに吸着保持されたＭＥＡ用基材の重量が１枚のＭＥＡ用基材の重量であるか否かを計測する荷重センサと、を備えたことを特徴とする。

また、前記吸着抑制手段として、さらに、吸着ハンドに吸着されたＭＥＡ用基材の外縁に媒体を吹き付ける噴出手段を備えると良い。

また、ＭＥＡ用基材をセットする基材セット台の載置面に複数の吸着孔を設け、吸着ハンドにおいて発生する吸着力よりも大きな吸着力を載置面に発生させ、搬送すべきでないＭＥＡ用基材をＭＥＡ用基材が積層される位置に吸着させておく載置面吸着手段を備えると良い。

本発明によれば、ガス拡散層などのＭＥＡ用基材を確実に１枚ずつ搬送することができる。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池セルの製造装置の構成の一例を示す概略図である。以下、本実施形態における燃料電池セルの製造装置１の構成および動作について説明する。

燃料電池セルの製造装置１は、基材セット台１０、搬送手段２０、基材位置検出手段３０、位置決め積層ステージ４０、熱圧プレス手段５０、接合体取出ステージ６０を有する構成となっている。また、搬送手段２０、基材位置検出手段３０、熱圧プレス手段５０などの各部は、制御装置（図示せず）によって動作制御される。

基材セット台１０は、作業者Ｍが、燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材、すなわち、両面に触媒層を有する電解質膜（以下、単に「電解質膜」という）と、正極ガス拡散層と、負極ガス拡散層と、をラフに位置決めしながら重ねてセットするための台である。作業者Ｍは、例えば、正極ガス拡散層、両面に触媒層を有する電解質膜、負極ガス拡散層の順に、基材セット台１０上に１枚ずつ積層した状態でセットする。

搬送手段２０は、例えば、上記の各ＭＥＡ用基材を吸着により保持可能な吸着ハンド２２を先端に有したロボットアーム等による。吸着ハンド２２の詳細な構成については後述する。この吸着ハンド２２は、例えばガイドレール２６に沿って搬送手段本体部２４を図１のＹ軸方向に移動制御することで、図１のＹ軸方向に往復移動可能となっている。また、搬送手段本体部２４と吸着ハンド２２とを連結するアーム部２３に、Ｘ軸方向に伸縮可能な構造（例えばシリンダピストン構造）を適用することによって、図１のＸ軸方向にも往復移動可能となっている。さらに、アーム部２３と吸着ハンド２２との連結部２５にも、作業者Ｍから見て上下方向（Ｚ軸方向）に伸縮可能な構造（例えばシリンダピストン構造）を適用することによって、吸着ハンド２２は図１のＺ軸方向にも往復移動可能となっている。こうして搬送手段２０における吸着ハンド２２は、ＸＹＺ方向に自在に移動可能な構成となっている。このような構成の搬送手段２０は、基材セット台１０にセットされた燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材を、吸着ハンド２２により吸着して保持し、基材セット台１０から基材位置検出手段３０や位置決め積層ステージ４０へと１枚ずつ搬送する。

基材位置検出手段３０は、搬送手段２０の吸着ハンド２２に保持された各ＭＥＡ用基材の位置を検出するための画像処理装置（図示せず）を有する手段である。基材位置検出手段３０は、搬送手段２０によるＭＥＡ用基材の搬送の度に、画像処理装置により得られた画像を用いて吸着ハンド２２に保持される各ＭＥＡ用基材の位置を検出し、得られたＭＥＡ用基材の位置情報を制御装置に出力する。

そして制御装置は、搬送中のＭＥＡ用基材の位置情報に基づいて搬送手段２０を制御し、吸着ハンド２２に保持される搬送中のＭＥＡ用基材を、ズレ補正しながら精度良く位置決めしながら位置決め積層ステージ４０に搬送、載置する。

こうして基材セット台１０にラフにセットされた燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材（電解質膜、正極ガス拡散層および負極ガス拡散層）は、それぞれ位置決め積層ステージ４０に精度良く位置決めされて積層される。例えば、基材セット台１０上に、正極ガス拡散層、電解質膜、負極ガス拡散層の順にラフにセットされた場合、上記のような搬送手段２０および基材位置検出手段３０の動作によって、負極ガス拡散層、電解質膜、正極ガス拡散層の順に、精度良く位置決めされた状態で、位置決め積層ステージ４０に搬送され、順に積層される。

位置決め積層ステージ４０は、上記のように精度良く位置決めされた状態で燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材が積層されるステージである。また、位置決め積層ステージ４０は、熱圧プレス手段５０との間を往復移動可能な可動式のプレス面盤４２を有するステージとなっている。このプレス面盤４２は、例えばスライダー（図示せず）によって位置決め積層ステージ４０と熱圧プレス手段５０との間を往復移動可能になっている。このプレス面盤４２の往復移動は、制御装置によって制御される。こうして、プレス面盤４２上に位置決めして積層された燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材は、プレス面盤４２の移動に伴い、熱圧プレス手段５０のプレス位置に搬送される（図１中の点線で示す符号４２’の状態になる）。

熱圧プレス手段５０は、積層された燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材を上下方向に熱圧プレスしてＭＥＡを作製する手段である。上記のように位置決めして積層された燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材が搬送されてくると、熱圧プレス手段５０は、その燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材を、上下方向から挟んで熱圧プレスして熱接合する。具体的には、プレス面盤４２がプレス下型の役割を果たしつつ、熱圧プレス手段５０に備えられたプレス上型が下降することで、熱圧プレスが行われる。こうして、電解質膜を正極ガス拡散層および負極ガス拡散層が挟んだ状態で互いに熱接合されたＭＥＡが作製される。そして、ＭＥＡが作製されると、プレス位置にあるプレス面盤４２’は、位置決め積層ステージ４０に移動し（符号４２の状態になり）、これに伴い作製されたＭＥＡも熱圧プレス手段５０から位置決め積層ステージ４０に搬出される。

接合体取出ステージ６０は、熱圧プレス手段５０から搬出されたＭＥＡを取り出すためのステージである。上記のように位置決め積層ステージ４０に搬出されたＭＥＡは、例えば上記の搬送手段２０により吸着ハンド２２で保持されて接合体取出ステージ６０に搬送される。これにより、作業者Ｍは、接合体取出ステージ６０でＭＥＡを取り出すことが可能となる。そして、このＭＥＡに対し、後の工程でセパレータを挟んで接合し、１個の燃料電池セルが完成する。

ここで、本実施形態における搬送手段の吸着ハンド２２は、例えば図２のように中空構造となっており、各ＭＥＡ用基材との吸着面を形成する下面は、後述の押圧により上下方向に撓むように弾性変形する弾性プレート２２ａで構成されている。この弾性プレート２２ａには、複数の吸着孔（図示せず）が形成されている。なお、弾性プレート２２ａとしては、例えばステンレス薄板などが用いられる。

この吸着ハンド２２（詳細には、中空構造の吸着ハンド２２における内部空間）は、例えば真空ポンプなどのバキューム手段（図示せず）と接続されている。これにより、吸着面とＭＥＡ用基材とが接触した状態で、バキューム手段によって吸着ハンド２２の内部空間が真空引きされると、ＭＥＡ用基材は吸着面（すなわち弾性プレート２２ａ）に真空吸着される。

また、吸着ハンド２２には、弾性プレート２２ａを内部から外部に向かって（図では下方に向かって）押す押圧手段２２ｂが設けられており、これにより吸着面を形成する弾性プレート２２ａは、吸着するＭＥＡ用基材に向かって（図では下方に向かって）凸状に変形するようになっている。

そして、以上のような構成の吸着ハンド２２において、ＭＥＡ用基材を真空吸着させた状態で、吸着するＭＥＡ用基材に向かって凸状に変形させるべく、押圧手段２２ｂを作動させる制御を行う。

この制御は、本実施形態において、例えば最上部（すなわち、電解質膜７４の上）に積層されたガス拡散層７２を搬送する際に有効である。この場合、本来ガス拡散層７２を１枚だけ吸着させるべきところをガス拡散層７２の他に電解質膜７４をも吸着させてしまったとき（図２（ａ）参照）において、上記の押圧手段２２ｂの制御によれば、余分に吸着した電解質膜７４のみが落下し、ガス拡散層を１枚だけ確実に吸着させて搬送することが可能となる（図２（ｂ）参照）。これは、電解質膜７４はガス拡散層７２に比べて一般的に面積が広く、電解質膜７４の弾性による復元力にて剥離力が発生しやすいためである。この剥離力によって、図２（ｂ）に示すように、余分な電解質膜７４は点線で示す状態から実線で示す状態となり、落下する。

なお、複数枚のＭＥＡ用基材が吸着しない、すなわち、余分なＭＥＡ用基材が吸着しないよう抑制する吸着抑制手段として、吸着ハンド２２を上記のような構成にすること以外に、例えば基材セット台１０側などに、次のような構成の手段を適用することによっても、同様の効果を得ることが可能となる。

例えば基材セット台１０側などに、吸着ハンド２２に吸着し保持されるＭＥＡ用基材の外縁に向かって媒体（例えばエア）を吹き付けるエア噴出手段１２を設けておく（図３参照）。これによれば、エアの吹き付けにより、余分に吸着したＭＥＡ用基材を剥がすことができる。すなわち、余分に吸着したＭＥＡ用基材を落下させて、ＭＥＡ用基材を１枚だけ確実に吸着させることが一層可能となる。

この技術についても、例えば最上部（すなわち、電解質膜７４の上）に積層されたガス拡散層７２を搬送する際に有効である。この場合、本来ガス拡散層７２を１枚だけ吸着させるところ、ガス拡散層７２の他に電解質膜７４をも吸着させてしまったときにおいて、上記のエア噴出手段１２の制御によれば、余分に吸着した電解質膜７４はエアによる強制剥離力によって剥離して落下するため、ガス拡散層７２を１枚だけ確実に吸着させて搬送することが可能となる。これは、電解質膜７４はガス拡散層７２に比べて一般的に面積が広く、電解質膜の外縁が下方に垂れる等によって、吸着されたガス拡散層の外縁と電解質膜の外縁との間に隙間ができ、この隙間にエアを吹付けることで強制剥離力が発生するからである。また、図３に示すように、エアの吹き付け時に押圧手段２２ｂによる押圧制御を行うと、押圧制御により、電解質膜７４の弾性による復元力にて剥離力が発生し、かつエアを吹付けることで強制剥離力が発生するため、一層、余分な電解質膜７４を剥離させ易くなる。

また、基材セット台１０の載置面にも、バキューム手段（図示せず）に接続された複数の吸着孔（図示せず）を設けておいても良い（図３参照）。この場合、吸着ハンド２２において発生する吸着力よりも大きな吸着力を、基材セット台１０の載置面に発生させる。具体的には、例えば最上部（すなわち、電解質膜７４の上）に積層されたガス拡散層７２のみを搬送する際には、最下部（すなわち、電解質膜７４の下）のガス拡散層７２のみならずその上の電解質膜７４をも吸着させる程度の吸着力を、基材セット台１０の載置面に発生させる。

こうすることで、搬送すべきでないＭＥＡ用基材には基材セット台１０への吸着力が発生するため、吸着ハンド２２に余分なＭＥＡ用基材が吸着するのを抑制できる。すなわち、搬送すべきＭＥＡ用基材を１枚だけ確実に吸着させることが一層可能となる。

なお、図３によれば、上記の押圧手段２２ｂによる吸着面の凸状変形技術、エア噴出手段１２によるエア吹き付け技術、及び基材セット台１０による吸着力発生技術を全て組み合わせた構成が示されているが、それぞれ単独で用いても有効である。また、これら３種類の技術の内、いずれか２種類を組み合わせても有効である。しかしながら、図３に示すように、これらの技術を適宜組み合わせることが最も効果的である。

また、本実施形態における基材セット台１０に荷重センサ１４を設け、この荷重センサ１４により検出される重量情報に基づいて、搬送すべきでないＭＥＡ用基材が余分に吸着ハンド２２に吸着されていないかを検知するようにしても良い。

図４は、基材セット台１０に荷重センサ１４を設けた構成の一例を示す図である。荷重センサ１４はシリンダ１６により計測時において上昇するようになっている。また、この荷重センサ１４において、基材セット台１０にラフにセットされるＭＥＡ用基材との接触面は、例えば図４のように十字状に形成されている。なお、図４（ａ）における点線は、基材セット台１０の上に載置したＭＥＡ用基材の位置を示す。

そして、以下のような手順で荷重センサ１４による検知を行う。

まず、作業者Ｍが基材セット台１０上にＭＥＡ用基材をセットし（図５（ａ）参照）、しかる後に、シリンダ１６により荷重センサ１４を上昇させ、セットした燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材の総重量を計測し（図５（ｂ）参照）、制御装置に出力する。

次に、荷重センサ１４を一旦下降させてから吸着ハンド２２によるＭＥＡ用基材の吸着保持動作を行い（図５（ｃ）参照）、その後に、荷重センサ１４を再度上昇させて、基材セット台１０上に残っているＭＥＡ用基材の重量を計測し（図５（ｄ）参照）、制御装置に出力する。

そして、制御装置は、吸着ハンド２２によるＭＥＡ用基材の吸着保持動作の前後における重量の差を演算し、予め制御装置に登録されている各ＭＥＡ用基材の重量と、演算により得られた差分値とを比較する。

この比較により、差分値が登録済みのＭＥＡ用基材の重量と略同一である場合には、吸着ハンド２２により、ＭＥＡ用基材を１枚だけ吸着保持したと判定できる。

また、差分値が登録済みのＭＥＡ用基材の重量よりも小さい場合には、吸着ハンド２２により保持すべきＭＥＡ用基材が吸着保持されていないと判定できる。

また、差分値が登録済みのＭＥＡ用基材の重量よりも大きい場合には、吸着ハンド２２により保持すべきでない余分なＭＥＡ用基材をも吸着保持したと判定できる（図５（ｄ）の状態）。

以上のように、吸着ハンド２２によるＭＥＡ用基材の吸着保持動作が行われる度に、荷重センサ１４を用い、搬送すべきでないＭＥＡ用基材が余分に吸着ハンド２２に吸着されていないかを重量情報に基づいて検知することで、保持状態異状（保持すべきＭＥＡ用基材が吸着保持されていない、あるいは、保持すべきでない余分なＭＥＡ用基材をも吸着保持した）を防止でき、ＭＥＡ用基材を１枚だけ確実に吸着させることが一層可能となる。

ここで、荷重センサ１４からの重量情報に基づき保持状態異状と判定した場合には、警告等などの警告手段により作業者Ｍに知らせたり、あるいは、制御装置が搬送手段２０に対して、吸着ハンド２２によるＭＥＡ用基材の吸着保持動作をリトライさせたりする等の制御を行ったりしても良い。

なお、上記の実施形態では、燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材をそれぞれ１枚ずつ搬送する場合を一例として説明しているが、本発明の技術は、この場合に限らず他の場合においても適用可能である。例えば、積層状態の複数枚のガス拡散層から最上のガス拡散層を１枚だけ取り出して搬送する場合など、同種の被搬送物が積層された中から最上部の被搬送物を１枚だけ取り出して搬送する場合にも十分適用可能である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池セルの製造装置の構成の一例を示す概略図である。図１の燃料電池セルの製造装置における搬送手段の吸着ハンドの構成の一例を示す図であり、図２（ａ）は吸着面変形前、図２（ｂ）は吸着面変形後の状態を示す。図２の吸着ハンドに加え、他の吸着抑制手段を適用した構成の一例を示す図である。図１の燃料電池セルの製造装置における基材セット台の構成の一例を示す図である。図４の基材セット台の動作を示す図であり、図５（ａ）はＭＥＡ用基材セット時、図５（ｂ）はＭＥＡ用基材の総重量計測時、図５（ｃ）は吸着保持動作時、図５（ｄ）は吸着保持動作後のＭＥＡ用基材の重量計測時における状態を示す。

符号の説明

１燃料電池セルの製造装置、１０基材セット台、１２エア噴出手段、２０搬送手段、２２吸着ハンド、２２ａ弾性プレート、２２ｂ押圧手段、２３アーム部、２４搬送手段本体部、２５連結部、２６ガイドレール、３０基材位置検出手段、４０位置決め積層ステージ、４２，４２’ プレス面盤、５０熱圧プレス手段、６０接合体取出ステージ、７２ガス拡散層、７４電解質膜。

Claims

電解質膜およびガス拡散層をＭＥＡ用基材として含み、積層されたＭＥＡ用基材を１枚ずつ吸着保持して搬送し、所定位置にて組付けを行う燃料電池セルの製造装置であって、
ＭＥＡ用基材を吸着する中空構造の吸着ハンドであって、中空構造の底面が複数の吸着孔を有して押圧によって上下方向に撓むように弾性変形する弾性プレートである吸着ハンドと、
複数枚のＭＥＡ用基材が吸着されるのを抑制する吸着抑制手段として、吸着ハンドによってＭＥＡ用基材を吸着した状態で、弾性プレートをＭＥＡ用基材側に向かって下凸に変形させて次のＭＥＡ用基材を積層位置に落とすように、中空構造の下方向に弾性プレートを押圧する押圧手段と、
吸着ハンドに吸着保持されたＭＥＡ用基材の重量が１枚のＭＥＡ用基材の重量であるか否かを計測する荷重センサと、
を備えたことを特徴とする燃料電池セルの製造装置。
請求項１に記載の燃料電池セルの製造装置において、
前記吸着抑制手段として、さらに、吸着ハンドに吸着されたＭＥＡ用基材の外縁に媒体を吹き付ける噴出手段を備えることを特徴とする燃料電池セルの製造装置。
請求項１に記載の燃料電池セルの製造装置において、
ＭＥＡ用基材をセットする基材セット台の載置面に複数の吸着孔を設け、吸着ハンドにおいて発生する吸着力よりも大きな吸着力を載置面に発生させ、搬送すべきでないＭＥＡ用基材をＭＥＡ用基材が積層される位置に吸着させておく載置面吸着手段を備えることを特徴とする燃料電池セルの製造装置。