專利名稱：膜電極接合體的制造方法、膜電極接合體以及其制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種構(gòu)成燃料電池的膜電極接合體的制造方法、膜電極接合體以及其制造裝置。

背景技術(shù)：
通常，燃料電池是通過將膜電極接合體隔著隔板層疊而成，該膜電極接合體分別在電解質(zhì)膜兩面設(shè)有催化劑層以及氣體擴散層。該膜電極接合體的外周部不設(shè)置催化劑層以及氣體擴散層、而露出電解質(zhì)膜，在此，應(yīng)用用于將隔板之間密封的樹脂制襯墊(例如，參照專利文獻1)。根據(jù)該襯墊與氣體擴散層厚度的關(guān)系來確定該襯墊的最佳厚度。因此，在氣體擴散層尺寸不統(tǒng)一的情況下，為了改變襯墊的厚度，需要準(zhǔn)備不同厚度的多種襯墊。但是，要準(zhǔn)備許多種類的該襯墊，其種類上是有限度的，因此有時也不一定都能應(yīng)用最佳厚度的襯墊。例如在襯墊厚度較小時，氣體擴散層被過度壓扁，氣體擴散性能以及排水性能變差，在襯墊厚度較大時，氣體擴散層的電阻增大，無論在哪種場合，發(fā)電效率都降低。
專利文獻1國際公開第01/017048號小冊子

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述以往技術(shù)存在的課題而產(chǎn)生的，其目的在于提供一種可以不需準(zhǔn)備多種襯墊，就可容易應(yīng)用最佳厚度的襯墊、且發(fā)電效率優(yōu)良的膜電極接合體的制造方法、膜電極接合體以及其制造裝置。
達到上述目的的本發(fā)明的膜電極接合體的制造方法，該膜電極接合體分別在電解質(zhì)膜兩面設(shè)有催化劑層及氣體擴散層，根據(jù)上述催化劑層及氣體擴散層的厚度在上述電解質(zhì)膜的至少一面、且上述催化劑層及氣體擴散層的周邊部控制成形厚度，從而一體成形樹脂制襯墊部。
達到上述目的的本發(fā)明的膜電極接合體，分別在電解質(zhì)膜兩面設(shè)有催化劑層及氣體擴散層，根據(jù)上述催化劑層及氣體擴散層的厚度在上述電解質(zhì)膜的至少一面、且上述催化劑層及氣體擴散層的周邊部一體成形不同成形厚度的樹脂制襯墊部。
達到上述目的的本發(fā)明的膜電極接合體的制造裝置，該膜電極接合體分別在電解質(zhì)膜兩面設(shè)有催化劑層及氣體擴散層，其特征在于，該制造裝置包括成形模具，該成形模具形成有從兩面把持上述電解質(zhì)膜的上述催化劑層及氣體擴散層周邊部的把持部，并設(shè)有用于注射樹脂材料的澆口；測量部，該測量部用于測量上述氣體擴散層的厚度；可動塊，該可動塊可沿著上述把持部內(nèi)側(cè)面相對于電解質(zhì)膜進退移動，形成與上述電解質(zhì)膜相對的相對面，該相對面的與把持部相反的一側(cè)同氣體擴散層外周端部相對；控制部，根據(jù)由上述測量部測量出的催化劑層及氣體擴散層厚度來控制上述可動塊的進退移動。
對于如上所述構(gòu)成的本發(fā)明的膜電極接合體的制造方法，由于根據(jù)催化劑層及氣體擴散層的厚度對電解質(zhì)膜的邊緣部控制成形厚度，從而一體成形樹脂制的襯墊部，因此，不需要預(yù)先準(zhǔn)備不同厚度的多種襯墊，就可以形成最佳厚度的襯墊部。因此，使用制造出的膜電極接合體構(gòu)成燃料電池時，將氣體擴散層壓扁至最佳厚度，良好地保持氣體擴散性能、排水性能以及電阻，從而提高燃料電池的發(fā)電效率。
對于如上所述構(gòu)成的本發(fā)明的膜電極接合體，根據(jù)催化劑層及氣體擴散層的厚度對電解質(zhì)膜的邊緣部控制成形厚度，從而一體成形樹脂制的襯墊部，因此，不需要預(yù)先準(zhǔn)備不同厚度的多種襯墊，可以實現(xiàn)最佳厚度的襯墊部。因此，在使用該膜電極接合體構(gòu)成燃料電池時，將氣體擴散層壓扁至最佳厚度，良好地保持氣體擴散性能、排水性能以及電阻，從而提高燃料電池的發(fā)電效率。
對于如上所述構(gòu)成的本發(fā)明的膜電極接合體的制造裝置，由于具備相對于電解質(zhì)膜可以進退移動的可動塊，因此，通過控制部改變可動塊的位置，從而可以成形最佳厚度的襯墊部。因此，在使用由該制造裝置制造出的膜電極接合體來構(gòu)成燃料電池時，將氣體擴散層壓扁至最佳厚度，良好地保持氣體擴散性能、排水性能以及電阻，從而提高燃料電池的發(fā)電效率。



圖1為本發(fā)明的膜電極接合體的俯視圖。
圖2為圖1的沿著II-II線的局部剖視圖。
圖3為燃料電池的局部剖視圖。
圖4為表示襯墊部成形前的預(yù)備接合體的俯視圖。
圖5為圖4的沿著V-V線的局部剖視圖。
圖6為表示本發(fā)明的膜電極接合體的制造裝置的側(cè)視圖。
圖7為圖6的沿著VII-VII線的第1成形模具的俯視圖。
圖8為圖6的沿著VIII-VIII線的第2成形模具的俯視圖。
圖9為圖6的沿著VI-VI線的局部剖視圖。
圖10為表示在本實施方式的制造裝置了上載置預(yù)備接合體時的局部剖視圖。
圖11為表示將該制造裝置的成形模具合模時的局部剖視圖。
圖12為表示向該制造裝置的成形模具注射了樹脂材料時的局部剖視圖。
圖13為表示第2實施方式的膜電極接合體的制造裝置的局部剖視圖。
圖14為表示在第2實施方式的制造裝置上載置一部分填充材料和預(yù)備接合體時的局部剖視圖。
圖15為表示即將將該制造裝置的成形模具合模時的局部剖視圖。
圖16為表示將該制造裝置的成形模具合模后進行了壓縮成形時的局部剖視圖。
圖17為表示第3實施方式的膜電極接合體的制造裝置的局部剖視圖。
圖18為表示在第3實施方式的制造裝置上載置一部分填充材料和預(yù)備接合體時的局部剖視圖。
圖19為表示將該制造裝置的成形模具合模時的局部剖視圖。
圖20為表示將該制造裝置的成形模具合模后，完成了壓縮成形及注射成形時的局部剖視圖。

具體實施例方式 下面，參照附圖、說明本發(fā)明的實施方式。
圖1為本發(fā)明的膜電極接合體的俯視圖，圖2為圖1的沿著II-II線的局部剖視圖，圖3為燃料電池的局部剖視圖。
如圖1、圖2所示，本實施方式的膜電極接合體1具有由燃料極3和空氣極4從兩側(cè)夾住固體高分子電解質(zhì)膜2這樣的層疊構(gòu)造。固體高分子電解質(zhì)膜2可以使用具有磺酸基的全氟化碳聚合物膜(商品名稱ナフイオン1128(注冊商標(biāo))，デユポン株式會社)等。燃料極3包括第1催化劑層5A以及第1氣體擴散層6A，空氣極4包括第2催化劑層5B以及第2氣體擴散層6B。在該膜電極接合體1的兩面，在催化劑層5A、5B以及氣體擴散層6A、6B的周圍設(shè)有與電解質(zhì)膜2形成一體的樹脂制第1襯墊部8A以及第2襯墊部8B。第1、第2襯墊部8A、8B的厚度H1、H2形成得低于第1、第2氣體擴散層6A、6B的表面，第1、第2氣體擴散層6A、6B比第1、第2襯墊部8A、8B高出臺階高度H3、H4。在襯墊部8A、8B表面外周的角部形成相對于表面傾斜的傾斜面10A、10B。
接著，對第1實施方式的膜電極接合體的制造裝置20進行說明。在這里所說明的制造方法，首先測量催化劑層以及氣體擴散層的厚度。然后，根據(jù)催化劑層以及氣體擴散層的厚度，確定相對于催化劑層以及氣體擴散層周邊部的成形厚度。使確定了厚度的樹脂制襯墊部一體成形在電解質(zhì)膜上。
襯墊部8A、8B所使用的樹脂材料可以采用PEN(聚萘二甲酸乙二醇酸)、PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)、PA(聚酰胺)、PP(聚丙烯)、POM(聚甲醛)、PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)、PS(聚苯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PMMA(丙烯酸)、PPS(聚苯硫醚)、環(huán)氧樹脂、酚類、不飽和聚酯以及熱塑性彈性體等。
如圖3所示，在構(gòu)成燃料電池時，膜電極接合體1與隔板9重疊。這時，襯墊部8A、8B緊貼隔板9，起到防止燃料氣體或冷卻水漏出的功能。氣體擴散層6A、6B被壓縮成高于襯墊部8A、8B。若過度壓扁氣體擴散層6A、6B，則氣體擴散性能以及排水性能變差，另外，若壓扁量過小，則電阻增大。因此，理想的是，考慮氣體擴散性能、排水性能以及電阻，而將襯墊部8A、8B的厚度H1、H2確定為最佳值。在本實施方式中，將襯墊部8A、8B的厚度H1、H2設(shè)定成使得臺階高度H3、H4例如為30～200μm范圍內(nèi)的規(guī)定值，但不限定于上述范圍內(nèi)的值。
圖4為表示成形襯墊部前的預(yù)備接合體的俯視圖，圖5為沿著圖4的V-V線的局部剖視圖，圖6為表示本發(fā)明的膜電極接合體的制造裝置的側(cè)視圖，圖7為圖6的沿著VII-VII線的第1成形模具的俯視圖，圖8為圖6的沿著VIII-VIII線的第2成形模具的俯視圖，圖9為圖6的沿著VI-VI線的局部剖視圖。
本實施方式的膜電極接合體的制造裝置20包括這樣的裝置在電解質(zhì)膜2的兩面設(shè)置形成有催化劑層5A、5B以及氣體擴散層6A、6B的預(yù)備接合體21(參照圖4、5)，向電解質(zhì)膜2注射樹脂材料而對襯墊部8A、8B進行一體注射成形或者一體注射熱壓縮成形。預(yù)備接合體21沿著電解質(zhì)膜2的邊緣部具有多個貫穿孔22。
如圖6～9所示，膜電極接合體的制造裝置20具有第1成形模具25A以及第2成形模具25B、推壓部件(未圖示)、第1驅(qū)動部26A以及第2驅(qū)動部26B、第1控制部28A以及第2控制部28B、第1測量部29A、第2測量部29B，該第1成形模具25A以及第2成形模具25B成一對，在第1形成模具25A內(nèi)部含有第1可動塊24A，在第2形成模具25B的內(nèi)部含有第2可動塊24B，上述推壓部件用于分別推壓第1、第2成形模具25A、25B，上述第1驅(qū)動部26A以及第2驅(qū)動部26B用于分別驅(qū)動第1、第2可動塊24A、24B，上述第1控制部28A以及第2控制部28B用于分別控制第1、第2驅(qū)動部26A、26B，上述第1測量部29A配置在第1成形模具25A上，且用于測量第1催化劑層5A及第1氣體擴散層6A的合計厚度，上述第2測量部29B配置在第2成形模具25B上，且用于測量第2催化劑層5B及第2氣體擴散層6B的合計厚度。
參照圖9，第1成形模具25A以及第2成形模具25B通過未圖示推壓部件驅(qū)動可以相對接近或離開，在彼此相對面的外周形成夾著電解質(zhì)膜2邊緣部把持電解質(zhì)膜2邊緣部的第1把持部31A以及第2把持部31B。在第2把持部31B的與第1把持部31A相對的面上、沿周向形成有多個突起部32，在第1把持部31A的與第2把持部31B相對的面上、形成供凹狀突起部32嵌合的嵌合部33。第1、第2把持部31A、31B的內(nèi)側(cè)角部形成有相對于把持電解質(zhì)膜2的面傾斜的把持部傾斜面35A、35B，在該把持部傾斜面35A、35B上設(shè)有用于注射樹脂材料的至少一個澆口36A、36B。
澆口36A、36B由針孔澆口或具有膜狀的寬度的膜隙澆口形成。澆口36A、36B與從外部連接于成形模具25A、25B的供給管37A、37B連通，從供給管37A、37B供給樹脂材料。
在第1成形模具25A和第2成形模具25B各自的相對的面上，沿著把持部31A、31B內(nèi)側(cè)面形成凹槽形狀的第1塊容納部39A以及第2塊容納部39B。在第1塊容納部39A中容納第1可動塊24A，在第2塊容納部39B中容納第2可動塊24B。如圖7、圖8所示，對應(yīng)于第1塊容納部39A以及第2塊容納部39B的形狀，第1可動塊24A以及第2可動塊24B分別沿著周向分割成4塊。另外，不限定分割數(shù)，也可以不分割。
通過具有伺服電動機或作動缸(氣缸、液壓缸)等的第1驅(qū)動部26A驅(qū)動，可以使第1可動塊24A向設(shè)置的預(yù)備接合體21的方向進退移動。另外，同樣通過具有伺服電動機或作動缸(氣缸、液壓缸)等的第2驅(qū)動部26B驅(qū)動，可以使第2可動塊24B向設(shè)置的預(yù)備接合體21的方向進退移動。在第1可動塊24A上形成與預(yù)備接合體21相對的第1相對面，在第2可動塊24B上形成與預(yù)備結(jié)合體21相對的第2相對面，每個相對面的與把持部31A、31B相反一側(cè)(內(nèi)側(cè))的相對面內(nèi)側(cè)部41A、41B與氣體擴散層6A、6B外周端部相對。分別通過第1、第2控制部28A、28B控制第1、第2可動塊24A、24B的進退移動。
在第1成形模具25中，與預(yù)備接合體21的第1氣體擴散層6A相對的位置上設(shè)置至少1個測量第1催化劑層5A和第1氣體擴散層6A厚度的第1測量部29A。第1測量部29A為例如壓力計，根據(jù)以預(yù)先確定的突出量接觸第1氣體擴散層6A時的壓力換算第1催化劑層5A和第1氣體擴散層6A的厚度。另外，第1測量部29A也可以使用例如位移計等。每個第1測量部29A都連接第1控制部28A，來自第1測量部29A的測量信號被輸入到第1控制部28A。第1控制部28A基于多個測量部29A的信號、算出第1催化劑層5A和第1氣體擴散層6A厚度的平均值，可以根據(jù)該測量結(jié)果來使第1可動塊24A進退移動。
另外，同樣，在第2成形模具25B中，與預(yù)備接合體21的第2氣體擴散層6B相對的位置上設(shè)置至少1個測量第2催化劑層5B和第2氣體擴散層6B厚度的第2測量部29B。第2測量部29B為例如壓力計，根據(jù)以預(yù)先確定的突出量接觸第2氣體擴散層6B時的壓力換算第2催化劑層5B和第2氣體擴散層6B的厚度。另外，第2測量部29B也可以使用例如位移計等。每個第2測量部29B都連接于第2控制部28B，第2測量部29B的測量信號被輸入到第2控制部28B。第2控制部28B基于多個第2測量部29B的信號算出第2催化劑層5B和第2氣體擴散層6B厚度的平均值，根據(jù)該測量結(jié)果，可以使第2可動塊24B進退移動。
接著，對第1實施方式的膜電極接合體1的制造方法進行說明。
圖10為表示在本實施方式的制造裝置中載置了預(yù)備接合體時的局部剖視圖，圖11為表示該制造裝置的成形模具合模了時的局部剖視圖，圖12為表示向該制造裝置的成形模具注射了樹脂材料時的局部剖視圖。
如圖10所示，最初，在第2成形模具25B上設(shè)置預(yù)備接合體21。這時，使第2成形模具25B的突起部32穿過預(yù)備接合體21的貫穿孔22。從而，可以在注射成形時牢固地保持預(yù)備接合體21。
接著，如圖11所示，通過推壓部件使第1成形模具25A和第2成形模具25B接近來合模。從而，在第1把持部31A和第2把持部31B之間夾住并把持預(yù)備接合體21的電解質(zhì)膜2。第2把持部31B的突起部32嵌合到第1把持部31A的嵌合部33。另外，第1可動塊24A以及第2可動塊24B的相對面內(nèi)側(cè)部41A、41B在推壓并接觸第1、第2氣體擴散層6A、6B。從而，在電解質(zhì)膜2的氣體擴散層6A、6B以及催化劑層5A、5B的外側(cè)形成作為成形空間的第1注射空間42A以及第2注射空間42B。
接著，根據(jù)從接觸第1氣體擴散層6A的多個第1測量部29A向第1控制部28A輸入的壓力值信號，算出第1催化劑層5A和第1氣體擴散層6A厚度的平均值，控制第1驅(qū)動部26A，使第1可動塊24A僅以對應(yīng)該厚度平均值的結(jié)果的規(guī)定量進退移動。在此，優(yōu)選是由第1測量部29A測量出的壓力值、和第1催化劑層5A與第1氣體擴散層6A的厚度平均值是這樣算出的，即，預(yù)先通過試驗來測量并存儲壓力值與厚度之間關(guān)系，從而算出上述壓力值和厚度平均值。另外，也可以取代測量壓力值，而使用位移計或激光測量儀等進行測量，但此時不需要預(yù)先進行試驗將壓力換算為厚度。如上所述，對于厚度測量可適當(dāng)使用公知技術(shù)，省略其詳細情況。
另外，同樣，根據(jù)從接觸第2氣體擴散層6B的多個第2測量部29B向第2控制部28B輸入的信號，算出第2催化劑層5B和第2氣體擴散層6B厚度的平均值，控制第2驅(qū)動部26B，使第2可動塊24B僅以對應(yīng)該厚度平均值的結(jié)果的規(guī)定量進退移動。
另外，催化劑層5A、5B的厚度極小，為3～20μm，偏差也小，與此相反，氣體擴散層6A、6B的厚度較大，為200～600μm左右，偏差也較大。因此，可以僅預(yù)測氣體擴散層6A、6B的厚度并粘貼于固體高分子電解質(zhì)膜2上來形成預(yù)備接合體21，加上催化劑層的厚度(3～20μm左右，或者極小，視為0)，從而來測量催化劑層和氣體擴散層的厚度。但是，在該情況下，不能在成形模具內(nèi)進行測量，在作業(yè)性方面，劣于本實施方式。
之后，如圖12所示，通過澆口36A、36B，從供給管37A、37B向第1注射空間42A以及第2注射空間42B注射樹脂材料。
當(dāng)樹脂材料為熱塑性樹脂時，噴射熔化狀態(tài)的樹脂材料，在溫度降低、樹脂材料固化之后，使第1成形模具25A和第2成形模具25B脫膜，取出形成有第1襯墊部8A以及第2襯墊部8B的膜電極接合體1。
當(dāng)樹脂材料為熱固性樹脂時，噴射液狀樹脂材料，通過設(shè)置在第1成形模具25A以及第2成形模具25B上的加熱器(未圖示)將樹脂材料加熱到大于或等于固化溫度而使其固化，然后使第1成形模具25A和第2成形模具25B脫模，取出由第1襯墊部8A以及第2襯墊部8B形成的膜電極接合體1。
對于如上所述制造的膜電極接合體1，由于樹脂材料從傾斜面10A、10B注射，因此，可以防止?jié)部?6A、36B的切除剩余從與隔板9接觸的表面突出以及向外周方向突出，在構(gòu)成燃料電池時，可以良好地保持與隔板9的緊貼性。
另外，由于使可動塊24A、24B分別對應(yīng)于催化劑層5A和氣體擴散層6A、催化劑層5B和氣體擴散層6B的厚度而移動，因此，能夠?qū)⒁r墊部8A、8B形成為對應(yīng)催化劑層5A、催化劑層5B和氣體擴散層6A、6B的最佳厚度。
該最佳厚度是指襯墊的厚度H1、H2分別是例如催化劑層5A和氣體擴散層6A、催化劑層5B和氣體擴散層6B的厚度的80％等。另外，可根據(jù)氣體擴散層的種類而適當(dāng)改變該比率。
另外，在注射成形時，可動塊24A、24B一邊壓縮氣體擴散層6A、6B一邊與其接觸，因此，可以抑制樹脂材料向氣體擴散層6A、6B滲透，可以抑制氣體擴散層6A、6B的氣體擴散性能降低以及排水性能降低。
另外，由于可以通過測量部29A、29B測量催化劑層5A和氣體擴散層6A、催化劑層5B和氣體擴散層6B的厚度，來設(shè)定襯墊部8A、8B的厚度H1、H2，因此，即使在氣體擴散層6A、6B的厚度出現(xiàn)偏差時，也可以將臺階高度H3、H4保持為最佳值，可以抑制氣體擴散層6A、6B的氣體擴散性能降低以及排水性能降低，抑制燃料電池的發(fā)電效率降低。
另外，由于可以分別設(shè)定臺階高度H3、H4，因此，即使氣體擴散層6A、6B的陽極一側(cè)和陰極一側(cè)為不同材料，也可以分別保持為最適當(dāng)?shù)呐_階高度H3、H4。
另外，由于以最佳尺寸一體成形襯墊部8A、8B一體成形，因此，不需要預(yù)先準(zhǔn)備多種襯墊，可以削減成本。
另外，對于本實施方式的膜電極接合體1，由于襯墊部8A、8B被一體成形，因此，可以削減部件數(shù)目，另外，由于預(yù)先一體成形襯墊部8A、8B，因此，提高了位置精確度。另外，將襯墊作為其他構(gòu)件設(shè)置時，可能在襯墊和電解質(zhì)膜之間混入氣泡或異物，而在本實施方式所涉及的膜電極接合體的制造方法中，由于預(yù)先一體成形襯墊部8A、8B，因此，難以混入氣泡或異物。另外，組裝燃料電池時，不需要疊合作為其他構(gòu)件的襯墊，因此，可以削減工時。
第2實施方式 在壓縮成形襯墊部8A、8B這一點上，第2實施方式的膜電極接合體的制造裝置60及制造方法與注射成形或注射熱壓縮成形襯墊部8A、8B的第1實施方式的制造裝置20及制造方法不同。另外，第2實施方式中制造的膜電極接合體1具有與第1實施方式的膜電極接合體1相同的構(gòu)造。
圖13是表示第2實施方式的膜電極接合體的制造裝置的局部剖視圖。另外，對與第1實施方式具有相同功能的部位標(biāo)注了相同的附圖標(biāo)記，為了避免重復(fù)，省略其說明。
第2實施方式的膜電極接合體的制造裝置50包括這樣的裝置，即，在電解質(zhì)膜2的兩面設(shè)置形成有催化劑層5A、5B及氣體擴散層6A、6B的預(yù)備接合體21(參照圖4、5)，與電解質(zhì)膜2一體地壓縮成形襯墊部8A、8B。
如圖13所示，該制造裝置50具有成對的第1成形模具52A及第2成形模具52B，該第1成形模具52A在內(nèi)部包括第1可動塊51A，第2成形模具52B在內(nèi)部包括第2可動塊51B。
第1可動塊51A具有用于加熱第1可動塊51A的第1加熱部53。第1加熱部53具有沿第1可動塊51A的長度方向延伸的細長形狀，在本實施方式中，期望為傳熱加熱器單元，但也可以做成其他構(gòu)造，例如，也可以做成使用高頻加熱器、或流通高溫流體的構(gòu)造。另外，由于傳熱加熱器單元是公知技術(shù)，因此，省略其詳細說明。第1加熱部53連接于外部電源單元(未圖示)，通過控制該電源單元，可以任意設(shè)定第1加熱部53的溫度。
第2可動塊51B具有用于加熱第2可動塊51B的第2加熱部54和用于冷卻第2可動塊51B的塊冷卻部55。第2加熱部54具有沿第2可動塊51B的長度方向延伸的細長形狀，在本實施方式中，期望為可進行快速加熱的高頻加熱器單元，但也可以為其他構(gòu)造，例如，也可以為使用電熱加熱器、或流通高溫流體的構(gòu)造。另外，由于高頻加熱器單元是公知技術(shù)，因此，省略其詳細說明。第2加熱部54連接于外部電源單元(未圖示)，通過控制該電源單元，可以任意設(shè)定第2加熱部54的溫度。
塊冷卻部55具有沿第2可動塊51B的長度方向延伸的細長形狀，在本實施方式中是珀耳式冷卻元件，但也可以使其他構(gòu)造，例如，做成流通低溫流體的構(gòu)造。塊冷卻部55連接于外部電源單元(未圖示)，通過控制該電源單元，可以任意設(shè)定塊冷卻部55的溫度。
在第1成形模具52A的、被第1可動塊51A包圍且與預(yù)備接合體21的氣體擴散層6A靠近或接觸的第1中央部56A中設(shè)有第1成形冷卻部57A。另外，在第2成形模具52B的、被第2可動塊51B包圍且與預(yù)備接合體21的氣體擴散層6B靠近或接觸的第2中央部56B中設(shè)有第2成形冷卻部57B。
第1成形冷卻部57A及第2成形冷卻部57B分別具有第1冷卻流路58A及第2冷卻流路58B，可以自外部的冷卻流體供給源(未圖示)通過冷卻流體供給管59A、59B，向該第1冷卻流路58A及第2冷卻流路58B中供給冷卻介質(zhì)(例如，冷卻水)。第1冷卻流路58A由分別沿著第1可動塊51A的長度方向的多個流路、在第1中央部56A中以包圍四周的方式形成。另外，第2冷卻流路58B也由分別沿著第2可動塊51B的長度方向的多個流路、在第2中央部56B中以包圍四周的方式形成。另外，對于流路形狀并沒有特別的限定，例如，也可以不是有多個流路形成，而由沿第1、第2可動塊51A、51B的長度方向彎曲成矩形的單一的流路形成。
接著，對第2實施方式的膜電極接合體的制造方法進行說明。
圖14是表示在第2實施方式的制造裝置中載置填充材料的一部分和預(yù)備接合體時的局部剖視圖，圖15是表示即將使同一制造裝置的成形模具合模時的局部剖視圖，圖16是表示使同一制造裝置的成形模具合模而進行了壓縮成形時的局部剖視圖。
首先，自冷卻流體供給源向第1、第2冷卻流路58A、58B中供給冷卻介質(zhì)，冷卻第1成形模具52A及第2成形模具52B的第1中央部56A及第2中央部56B，并且，使第1加熱部53工作，加熱第1可動塊51A。另外，在以后的加工循環(huán)中，總是維持一邊冷卻該第1中央部56A及第2中央部56B、一邊加熱第1可動塊51A的狀態(tài)。
接著，使塊冷卻部55工作，冷卻第2可動塊51B。
接著，如圖14所示，在將第2填充材料60B(樹脂材料)載置于第2成形模具52B的第2可動塊51B上之后，將預(yù)備接合體21設(shè)置于第2成形模具52B。此時，通過使第2成形模具52B的突起部32貫穿預(yù)備接合體21的貫穿孔22，可以在后述的壓縮成形時可靠地保持預(yù)備接合體21。之后，如圖15所示，在預(yù)備接合體21的與第1可動塊51B相對應(yīng)的位置，載置第1填充材料60A(樹脂材料)。
上述第1、第2填充材料60A、60B均是以熱固化性樹脂為主要成分的片狀材料，例如，可以通過被海綿狀的吸引墊吸引搬運而投入到任意位置。另外，第1、第2填充材料60A、60B也可以做成粉末狀、利用預(yù)備加熱使粉末狀材料半固化而成的材料、或者凝膠狀(泥漿狀)，在成為粉末狀、凝膠狀的情況下，可以通過自噴嘴被排出而投入到任意位置。另外，第1、第2填充材料60A、60B由包圍氣體擴散層6A、6B外周的環(huán)狀形成，但也可以被分割為多塊地設(shè)置。
接著，如圖16所示，利用按壓部件使第1成形模具52A與第2成形模具52B靠近而進行合模，并且，使第2可動塊51B的塊冷卻部55停止工作，使第2加熱部54、即高頻加熱單元工作，進行快速加熱。此時，預(yù)備接合體21的電解質(zhì)膜2被夾在第1把持部31A與第2把持部31B之間而被把持，第2把持部31B的突起部32嵌合于第1把持部31A的嵌合部33。另外，第1可動塊51A及第2可動塊51B的相對面內(nèi)側(cè)部41A、41B按壓第1及第2氣體擴散層6A、6B，并與它們接觸。
第1、第2填充材料60A、60B可利用被第1加熱部53及第2加熱部54加熱的第1可動塊51A及第2可動塊51B溶融。在第1、第2填充材料60A、60B處于溶融狀態(tài)的期間里，由多個第1測試部29A算出第1催化劑層5A及第1氣體擴散層6A的厚度平均值。以與該算出的第1催化劑層5A及第1氣體擴散層6A的厚度平均值相對應(yīng)的規(guī)定量，控制第1驅(qū)動部26A，使第1可動塊51A前后運動。
同樣，在第1、第2填充材料60A、60B處于溶融狀態(tài)的期間里，由多個第2測試部29B算出第2催化劑層5B及第2氣體擴散層6B的厚度平均值?？刂频?驅(qū)動部26B，以與該結(jié)果相對應(yīng)的規(guī)定量使第2可動塊51B前后移動。
之后，保持第1及第2可動塊51A、51B的位置及加熱溫度，直到第1、第2填充材料60A、60B固化為止，即使脫模、也是在使第1、第2填充材料60A、60B可以保持形狀的程度的硬化反應(yīng)結(jié)束后，使第1成形模具52A與第2成形模具52B脫模。由此，可取出成形有第1襯墊部8A及第2襯墊部8B的膜電極接合體1。接著，使第2加熱部54停止工作，加熱結(jié)束。
之后，使塊冷卻部55工作，冷卻第2可動塊51B。在使第2可動塊51B降低至規(guī)定溫度之后，開始制造下一個膜電極接合體1。
像上述第2實施方式的制造裝置50及制造方法那樣，即使不使用注射成形或注射熱壓縮成形，而使用壓縮成形，也可以與第1實施方式同樣地以與催化劑層5A及氣體擴散層6A、催化劑層5B及氣體擴散層6B的厚度相對應(yīng)的最佳厚度，形成襯墊部8A、8B。
另外，作為與第1實施方式不同的效果，由于在與預(yù)備接合體21的氣體擴散層6A、6B靠近或接觸的第1、第2中央部56A、56B中設(shè)有第1、第2成形模具冷卻部57A、57B，因此，可以避免預(yù)備接合體21的不需要加熱的部位的溫度過度上升。
另外，在第1成形模具52A與第2成形模具52B合模之前，在預(yù)備接合體21之下配置有第2填充材料60B，因此，可利用第2填充材料60B防止預(yù)備接合體21下垂，可以將預(yù)備接合體21保持在更加適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 另外，由于在第1、第2可動塊51A、51B中設(shè)有第1、第2加熱部53、54，因此，可以集中加熱需要加熱的部位。
另外，由于在第2可動塊51B中設(shè)有塊冷卻部55，因此，可以集中加熱配置有第2填充材料60B的第2可動塊51B。因此，在依次制造膜電極接合體1時，可以在短時間內(nèi)冷卻第2可動塊51B，從而可以縮短作業(yè)時間。
另外，第2實施方式的制造裝置50的第1、第2成形模具冷卻部57A、57B、第2加熱部53、54及塊冷卻部55也可適用于第1實施方式。
第3實施方式 第3實施方式的膜電極接合體的制造裝置70及制造方法，在對一襯墊部8A進行注射成形或注射熱壓縮成形、對另一襯墊部8B進行壓縮成形這一點上，與第1、第2實施方式的制造裝置20、50及制造方法不同。另外，在第3實施方式中制造的膜電極接合體1具有與第1、第2實施方式的膜電極接合體1相同的結(jié)構(gòu)。
圖17為表示第3實施方式的膜電極接合體的制造裝置的局部剖視圖。另外，對于具有與第1、第2實施方式相同功能的部位標(biāo)注相同標(biāo)記，為了避免重復(fù)而省略其說明。
第3實施方式的膜電解接合體的制造裝置70設(shè)置有預(yù)備接合體21(參照圖4、圖5)，該預(yù)備接合體21在電解質(zhì)膜2的兩面上形成催化劑層5A、5B及氣體擴散層6A、6B，且該制造裝置70包含相對于電解質(zhì)膜2對一襯墊部8A進行注射成形或注射熱壓縮成形、對另一襯墊8B進行壓縮成形的裝置。
該膜電極接合體的制造裝置70與第2實施方式的制造裝置50除了一部分以外不同外，其余都相同，即，僅在第1成形膜71A上形成有澆口72、在澆口72上連結(jié)有供給樹脂材料的供給管73這一點不同。澆口72與第1實施方式的澆口36A相同，由針孔澆口、或具有薄膜狀寬度的膜隙澆口形成。
接著，說明第3實施方式的膜電解接合體的制造方法。
圖18為表示在第3實施方式的制造裝置上載置一部分填充材料和預(yù)備接合體時的局部剖視圖，圖19為表示該制造裝置的成形膜合模了時的局部剖視圖，圖20為表示該制造裝置的成形模合模后、壓縮成形及注射成形結(jié)束時的局部剖視圖。
首先，從冷卻流體供給源對第1、第2冷卻流路58A、58B供給冷卻介質(zhì)，冷卻第1成形膜71A及第2成形膜71B的第1中央部56A及第2中央部56B，并且使第1加熱部53工作，加熱第1可動塊51A。另外，在以后的加工循環(huán)中，總是維持冷卻該第1中央部56A及第2中央部56B、且加熱第1可動塊51A的狀態(tài)。
接著，使塊冷卻部55工作，冷卻第2可動塊51B。
接著，如圖18所示，在第2成形膜71B的第2可動塊51B上載置第2填充材料74(樹脂材料)后，在第2成形模71B上設(shè)置預(yù)備接合體21。此時，通過使第2成形模71B的突起部32穿過預(yù)備接合體21的貫通孔22，可以在后述的壓縮成形時確實地保持預(yù)備接合體21。
上述第2填充材料74與第2實施方式相同，是以熱固化樹脂為主要成分的片形狀材料，通過例如用海綿狀的吸引墊吸附搬運，可以投入到任意的位置。另外，第2填充材料74也可以為粉末狀、通過預(yù)備加熱粉末狀材料使其半固化的材料、或凝膠狀(泥漿狀)，在第2填充材料74為粉末狀、凝膠狀的情況下，可以通過從噴嘴噴出而投入到任意的位置。另外，第2填充材料74由圍繞氣體擴散層6B的外周的環(huán)形狀形成，但第2填充材料74也可以分割設(shè)置多塊。
接著，如圖19所示，利用推壓構(gòu)件使第1成形模71A與第2成形模71B接近進行合模，并且使第2可動塊51B的塊冷卻部55停止工作，使作為第2加熱部54的高頻加熱器單元工作而進行急速加熱。此時，預(yù)備接合體21的電解質(zhì)膜2被夾于第1把持部31A與第2把持部31B之間而被把持，第2把持部31B的突起部32與第1把持部31A的嵌合部33相嵌合。另外，第1可動塊51A及第2可動塊51B的相對面內(nèi)側(cè)部41A、41B推壓第1、第2氣體擴散層6A、6B并與它們相接觸。由此，在電解質(zhì)膜2的氣體擴散層6A及催化劑層5A的外側(cè)形成第1注射空間75。
第2填充材料74通過被第2加熱部54加熱的第2可動塊51B熔化。在第2填充材料74熔化狀態(tài)期間，通過多個第1計測部29A算出第1催化劑層5A及第1氣體擴散層6A的厚度平均值，控制第1驅(qū)動部26A，與根據(jù)該結(jié)果的規(guī)定量相對應(yīng)地使第1可動塊51A進行進退移動。
另外，同樣地，通過多個第2計測部29B算出第2催化劑層5B及第2氣體擴散層6B的厚度平均值，控制第2驅(qū)動部26B，與根據(jù)該結(jié)果的規(guī)定量相對應(yīng)地使第2可動塊51B進行進退移動。
接著，如圖20所示，從供給管73通過澆口72向第1注射空間75注射樹脂材料。另外，樹脂材料優(yōu)選使用與第2填充材料74相同的材料，但不一定限定于此。
接著，在第2填充材料74及被注射的樹脂材料發(fā)生固化之前保持第1、第2可動塊51A、51B的位置及加熱溫度，即使脫模也要在固化反應(yīng)結(jié)束后達到可保持第2填充材料74及樹脂材料的形狀的程度時，使第1成形模71A與第2成形模71B脫模。由此，取出成形了第1襯墊部8A及第2襯墊部8B的膜電極接合體1。接著，使第2加熱部54的工作停止，加熱結(jié)束。
然后，使塊冷卻部55工作，冷卻第2可動塊51B。當(dāng)?shù)?可動塊51B降低到規(guī)定溫度之后，開始制造下一個膜電極接合體1。
像上述第3實施方式的制造裝置70及制造方法那樣，即使混合使用注射成形或注射熱壓縮成形、壓縮成形，也可以與第1、第2實施方式相同，以與催化劑層5A及氣體擴散層6A、催化劑層5B及氣體擴散層6B厚度相對應(yīng)的最佳厚度成形襯墊部8A、8B。
而且，本發(fā)明不限于上述實施方式，可以在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)進行各種改變。例如，也可以在第1成形模具25A上形成突起部32，若能夠在注射成形時保持預(yù)備接合體21，則也不一定需要設(shè)置突起部。
權(quán)利要求
1.一種膜電極接合體的制造方法，該膜電極接合體分別在電解質(zhì)膜兩面設(shè)有催化劑層及氣體擴散層，其特征在于，
根據(jù)上述催化劑層及氣體擴散層的厚度來控制成形厚度而在上述電解質(zhì)膜的至少一面、且上述催化劑層及氣體擴散層的周邊部一體成形樹脂制襯墊部。
2.如權(quán)利要求1所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于，在上述電解質(zhì)膜兩面上一體成形厚度適合各個面的襯墊部。
3.如權(quán)利要求1所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于，測量上述催化劑層及氣體擴散層的厚度，形成厚度與該催化劑層及氣體擴散層的厚度相對應(yīng)的襯墊部。
4.如權(quán)利要求1～3中任意一項所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于，通過注射成形或者注射壓縮成形形成上述襯墊部。
5.如權(quán)利要求4所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于，以使上述襯墊部外周角部成為傾斜面的方式由成形模具形成成形空間，從設(shè)于同該傾斜面相對應(yīng)的部位處的成形模具的澆口向上述成形空間內(nèi)注射樹脂材料。
6.如權(quán)利要求5所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于，上述澆口為針孔澆口或者膜隙澆口。
7.如權(quán)利要求1～3中任意一項所述的膜電極接合體的制造方法，其特征在于，通過壓縮成形來成形上述襯墊部。
8.一種膜電極接合體，該膜電極接合體分別在電解質(zhì)膜兩面設(shè)有催化劑層及氣體擴散層，其特征在于，
根據(jù)上述催化劑層及氣體擴散層的厚度而在上述電解質(zhì)膜的至少一面、且上述催化劑層及氣體擴散層的周邊部一體成形不同成形厚度的樹脂制襯墊部。
9.如權(quán)利要求8所述的膜電極接合體，其特征在于，在上述電解質(zhì)膜兩面上一體成形厚度適合各個面的襯墊部。
10.如權(quán)利要求8或者9所述的膜電極接合體，其特征在于，通過注射成形或者注射壓縮成形來成形上述襯墊部。
11.如權(quán)利要求10所述的膜電極接合體，其特征在于，從在上述襯墊部外周角部形成的傾斜面注射樹脂材料，來成形上述襯墊部。
12.如權(quán)利要求8或者9所述的膜電極接合體，其特征在于，通過壓縮成形來成形上述襯墊部。
13.一種膜電極接合體的制造裝置，該膜電極接合體分別在電解質(zhì)膜兩面設(shè)有催化劑層及氣體擴散層，其特征在于，該制造裝置包括
成形模具，該成形模具用于對樹脂材料進行成形，形成有從兩面把持上述電解質(zhì)膜的上述催化劑層及氣體擴散層周邊部的把持部；
測量部，該測量部用于測量上述氣體擴散層的厚度；
可動塊，該可動塊可沿著上述把持部內(nèi)側(cè)面而相對于電解質(zhì)膜進退移動，形成與上述電解質(zhì)膜相對的相對面，該相對面的與把持部相反的一側(cè)同氣體擴散層外周端部相對；
控制部，根據(jù)由上述測量部測量出的催化劑層及氣體擴散層的厚度來控制上述可動塊的進退移動。
14.如權(quán)利要求13所述的膜電極接合體的制造裝置，其特征在于，上述把持部在該把持部內(nèi)側(cè)角部具有相對于電解質(zhì)膜表面傾斜形成的把持部傾斜面，在上述把持部傾斜面上設(shè)有用于注射樹脂材料的澆口。
15.如權(quán)利要求14所述的膜電極接合體的制造裝置，其特征在于，上述澆口為針孔澆口或者膜隙澆口。
16.如權(quán)利要求13～15中任意一項所述的膜電極接合體的制造裝置，其特征在于，上述可動塊具有用于將該可動塊加熱的加熱部。
17.如權(quán)利要求13～15中任意一項所述的膜電極接合體的制造裝置，其特征在于，上述可動塊具有用于將該可動塊冷卻的冷卻部。
18.如權(quán)利要求13～15中任意一項所述的膜電極接合體的制造裝置，其特征在于，上述成形模具具有成形模具冷卻部，該成形模具冷卻部用于對該成形模具的接近或接觸上述氣體擴散層的部分進行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不需要準(zhǔn)備多種襯墊、就可以容易應(yīng)用最佳厚度的襯墊且發(fā)電效率高的膜電極接合體的制造方法、膜電極接合體以及其制造裝置。該膜電極接合體(1)分別在電解質(zhì)膜(2)兩面設(shè)有催化劑層(5A、5B)及氣體擴散層(6A、6B)，根據(jù)上述催化劑層及氣體擴散層的厚度來控制成形厚度而在上述電解質(zhì)膜(2)的至少一面、且上述催化劑層(5A、5B)及氣體擴散層(6A、6B)的周邊部，從而一體成形樹脂制襯墊部。
文檔編號H01M8/02GK101276920SQ200810085579
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月19日
發(fā)明者高田和義 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社