JP2016170926A - 拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池サイズのコンパクト化をもたらし得る拡散層配設フレームを提供する。
【解決手段】打抜装置５００は、フレームシート１４０ｓにカソード側拡散層シート１２０ｓを重ねて配置し（ステップＳ１０）、重ね合わされたカソード側拡散層シート１２０ｓとフレームシート１４０ｓとに、裁断刃２００をカソード側拡散層シート１２０ｓの側から押し当てる（ステップＳ２０〜３０）。この裁断刃押し当てにより、カソード側拡散層シート１２０ｓとフレームシート１４０ｓとを重ねた状態で打ち抜き、打ち抜かれたカソード側拡散層１２０と整合する形状を有する開口部１４１をフレームシート１４０ｓに形成する。打ち抜きに用いる裁断刃２００は、フレームシート１４０ｓの表層部位（接着剤層１４０ｂ）の溶融を起こす温度まで加熱されており、打ち抜きの際に、接着剤層１４０ｂを熱溶融させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法に関する。

燃料電池は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を、ガスの拡散供給を図る拡散層（Gas Diffusion Layer／ＧＤＬ）で挟持する。こうした燃料電池の製造では、帯状の電解質膜の上に所定の間隔を開けて電極触媒層を形成して、電極触媒層の上に拡散層（ＧＤＬ）を形成することがなされている。その上で、拡散層がフレームの開口部に入り込むように、開口部を有するフレームを重ねて配設する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−１２９３４３号公報

フレームの開口部に拡散層を配設する際、開口部の中に拡散層が確実に配設されるようにすることが好ましい。ところで、拡散層は、所定の形状、例えば矩形形状に打ち抜きされ、その打ち抜きの際には、拡散層の形状寸法において、所定範囲の寸法公差が生じ得る。フレームの成形もしくは打ち抜きにあっても同様であり、フレームや開口部の形状寸法において、所定範囲の寸法公差が生じ得るので、拡散層とフレームについてそれぞれ許容される寸法公差の範囲において、両者に寸法相違が生じ得る。また、拡散層をフレームの開口部に配設する際にも、開口部に対する拡散層の配設ズレも起き得る。こうしたことを考慮しつつ開口部の中に拡散層が確実に配設されるようにするには、フレームの開口部のサイズ（面積）を拡散層のサイズ（面積）よりも大きくする必要があった。フレームを含む燃料電池全体のサイズ（面積）は、当然にフレームの開口部や拡散層のサイズ（面積）より大きいので、電極触媒層で挟まれた上で拡散層からガス供給を受ける発電領域のサイズ（面積）を確保するには、燃料電池全体では、フレームの開口部のサイズ（面積）を大きくする分、少なくともサイズアップが起きる。こうしたことを踏まえ、本願は、燃料電池サイズのコンパクト化をもたらし得る拡散層配設フレームアッセンブリーを提供することを課題とする。

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、拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法が提供される。この拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法は、フレームと拡散層とを重ね合わせて配置する工程（ａ）と、重ね合わされた前記拡散層と前記フレームとに裁断刃を押し当てて前記拡散層と前記フレームとを重ねた状態で前記裁断刃により打ち抜き、打ち抜かれた前記拡散層と整合する形状を有する開口部を前記フレームに形成する工程（ｂ）とを備え、前記工程（ｂ）では、前記裁断刃を、前記拡散層の側の前記フレームの溶融を起こす温度まで加熱し、該加熱された状態の前記裁断刃にて前記打ち抜きを行う。

この形態の拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法は、打ち抜かれた拡散層の外郭形状を、フレームにおいて打ち抜かれた開口部の開口形状に整合させる。よって、この形態の拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法によれば、打ち抜かれた拡散層の外郭形状と開口部の開口形状との整合により、開口部に対する拡散層の寸法相違をほぼゼロにすることで開口部のサイズを大きくする必要がなくなり、燃料電池セルのコンパクト化を実現できる。また、この形態の拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法は、加熱された裁断刃による打ち抜きの際に、フレームを溶融させるので、溶融部位が冷えて硬化する際に、フレームの開口部の打ち抜き側周縁において、フレームと拡散層を接着して一体化させることも可能となる。よって、この形態の拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法によれば、得られた拡散層配設フレームアッセンブリーにおいて、拡散層の位置ズレを抑制できる。このため、膜電極接合体や燃料電池の製造ラインへの搬送を行う際の取扱が容易となる。

（２）上記形態の拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法において、前記工程（ｂ）では、前記拡散層及びフレームの位置を調整する打抜装置により、前記拡散層及びフレームを保持する工程と、記打抜装置に取り付けられた裁断刃により前記拡散層及びフレームを打ち抜く工程と、前記打抜装置により拡散層若しくはフレームの位置を調整して前記拡散層を前記フレームの開口部に入り込ませる工程とを行い、前記拡散層が前記フレームの開口部に入り込ませた後、前記裁断刃を復帰させるようにしてもよい。こうすれば、拡散層を開口部に入り込ませたまま、溶融部位の硬化によりフレームと拡散層を接着できるので、両者の接着の実効性が高まる。

（３）上記いずれかの形態の拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法において、前記工程（ｂ）では、加熱を受けると接着機能を発揮する接着剤層を前記拡散層の側の表層部位に有する前記フレームを、前記拡散層と共に前記裁断刃により打ち抜くようにしてもよい。こうすれば、接着剤層により、フレームと拡散層を、より高い実効性で接着できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、拡散層配設フレームアッセンブリーの製造装置の他、膜電極接合体や燃料電池の製造方法や製造装置などの形態で実現することができる。

実施形態としての拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの概略構成を部分断面と共に示す説明図である。 拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａが組み込まれた燃料電池スタック１０の要部を図１における２−２線に沿って概略的に断面視して示す説明図である。 拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造装置２０を概略的に示す説明図である。 拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造工程の前半をシート搬送方向と交差するＹ方向に沿った打抜装置５００の要部構成と並記して説明する説明図である。 拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造工程の後半を説明する説明図である。 打抜装置５００の要部構成をシート搬送方向と交差するＹ方向に沿って断面視して機器動作挙動を示す説明図である。 打抜装置５００の要部構成をシート搬送方向（Ｘ方向）に沿って断面視して機器動作挙動を示す説明図である。 アノード側部材貼付装置３０を用いた燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０の製造工程を示す説明図である。 平板状の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａに補助フレーム１４２を併用した形態の燃料電池スタック１０を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は実施形態としての拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの概略構成を部分断面と共に示す説明図であり、図２は拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａが組み込まれた燃料電池スタック１０の要部を図１における２−２線に沿って概略的に断面視して示す説明図である。

図１に示すように、拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａは、フレーム１４０とカソード側拡散層１２０とを有する。フレーム１４０は、２軸延伸ポリエチレン２，６−ナフタレート（PEN）やシンジオタクチックポリスチレン樹脂（SPS）といった耐熱性を有する樹脂製の薄葉平板であり、これら樹脂のシート体から形成される。フレーム１４０は、中央領域に開口部１４１を備え、図におけるＹ軸方向左右に、燃料ガス、酸化剤ガス（空気）、冷媒の通過孔となるマニホールド１１８を有する。開口部１４１とマニホールド１１８は、後述の製造工程において形成される。また、フレーム１４０は、開口部１４１とマニホールド１１８の開口領域を除くフレーム表裏面に、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂を用いた熱硬化性の接着剤が塗膜形成された接着剤層１４０ｂを有する。この接着剤層１４０ｂは、フレームシート１４０ｓの状態で表裏面に形成済みであり、後述の製造工程において、開口部１４１とマニホールド１１８の開口領域に亘ってフレームと共に除去される。

カソード側拡散層１２０は、カーボンペーパーやカーボン不織布で形成されている。カソード側拡散層１２０は、後述の製造工程においてフレーム１４０の開口部１４１に嵌め込まれてフレーム１４０とともに搬送されるので、搬送中に開口部から落ちにくいように、張りのある材料で形成することが好ましい。この観点からは、カソード側拡散層１２０は、カ―ボン不織布よりもカーボンペーパーで形成することが好ましい。カソード側拡散層１２０は、開口部１４１よりもＹ軸方向に幅広のカソード側拡散層シート１２０ｓ（カーボンペーパーのシート体）を用いて、後述の製造工程において形成される。

上記した拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａが組み込まれた燃料電池スタック１０は、図２に示すように、複数の発電ユニット１００が直列に配置される構成を有している。発電ユニット１００は、触媒層接合電解質膜１１０（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）と、カソード側拡散層１２０と、アノード側拡散層１３０と、補強用の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａと、カソード側のセパレータプレート１５０と、アノード側のセパレータプレート１６０とを備える。触媒層接合電解質膜１１０は、プロトン伝導性の電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ塗工されたカソード側触媒層とアノード側触媒層とを備え、ＭＥＡを構成する。一実施形態では、アノード側触媒層は電解質膜の第１面の全領域にわたって塗工され、一方、カソード側触媒層は電解質膜の第２面のうちの一部の矩形領域（発電領域）のみに塗工されている。この理由は、アノード側触媒層は、カソード側触媒層に比べて単位面積当たりの触媒量が少なくて良い（典型的には１／２以下であり、例えば約１／３）ので、電解質膜の第１面の全領域に触媒を塗工しても過度の無駄とはならない反面、塗工工程が簡単になるからである。反対に、カソード側触媒層は、アノード側触媒層に比べて単位面積当たりの触媒量が多いので、一部の小さな領域のみに塗工することによって無駄な触媒を低減できるからである。アノード側拡散層１３０は、既述したカソード側拡散層１２０と同様、カーボンペーパーやカーボン不織布で形成されている。

カソード側拡散層１２０とアノード側拡散層１３０は、触媒層接合電解質膜１１０を挟持して、膜電極拡散層接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓ−ｄｉｆｕｓｉｏｎ―ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を構成する。開口部１４１にカソード側拡散層１２０を嵌め込んだ拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａは、触媒層接合電解質膜１１０とアノード側拡散層１３０が一体となることで、後述の燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０を構成する。

図２に示すように、発電ユニット１００では、触媒層接合電解質膜１１０の一方の面にカソード側拡散層１２０が配置され、触媒層接合電解質膜１１０の他方の面にアノード側拡散層１３０が配置される。本実施形態では、アノード側拡散層１３０の大きさは、触媒層接合電解質膜１１０の電解質膜の大きさとほぼ同じ大きさに形成されている。一方、カソード側拡散層１２０の大きさは、触媒層接合電解質膜１１０の電解質膜およびアノード側拡散層１３０の大きさよりも小さく形成されている。また、カソード側拡散層１２０は、触媒層接合電解質膜１１０におけるカソード側触媒層よりも小さい形状に形成されており、カソード側触媒層の領域内にカソード側拡散層１２０が収まるように配置されている。このため、カソード側拡散層１２０の端部が触媒層が存在しない電解質膜の位置に位置しても、カーボンペーパーの繊維が電解質膜に突き刺さるような事態を招き難くでき、電解質膜の損傷やクロスリークの発生を抑制できる。

触媒層接合電解質膜１１０の全領域のうちでフレーム１４０と接着されている領域は、反応ガスが拡散せず発電に寄与しないため、カソード側触媒層が形成されていなくても良い。すなわち、フレーム１４０に、触媒層接合電解質膜１１０の電解質膜が直に接着されていてもよい。これにより、接着部分において、貴金属である触媒金属の使用量を低減できる。

セパレータプレート１５０、１６０は、凹凸を有する金属製の板状部材であり、いわゆるエキスパンドメタルとして形成される。セパレータプレート１５０と、カソード側拡散層１２０との間には、酸素流路１５５が形成され、セパレータプレート１６０と、アノード側拡散層１３０との間には、水素流路１６５が形成され、セパレータプレート１５０と、セパレータプレート１６０との間には、冷媒流路１７０が形成されている。アノード側のセパレータプレート１６０は、アノード側拡散層１３０の周縁において、拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａのフレーム１４０まで延び、フレーム１４０の接着剤層１４０ｂにて、フレーム１４０と接着される。つまり、セパレータプレート１６０は、アノード側拡散層１３０を取り囲む領域においてフレーム１４０と接着され、この領域において、凹凸が深くなるようにエキスパンドメタル手法にて形成される。

次に、拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａと燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０の製造工程について説明する。図３は拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造装置２０を概略的に示す説明図である。製造装置２０は、打抜装置５００と、搬送装置６００とを備える。搬送装置６００は、拡散層シート繰出ローラ２２０と、フレームシート繰出ローラ２４０と、搬送ローラ２５０、２６０とを備える。拡散層シート繰出ローラ２２０は、カソード側拡散層シート１２０ｓが巻かれており、カソード側拡散層シート１２０ｓを繰り出す。フレームシート繰出ローラ２４０は、フレームシート１４０ｓが巻かれており、フレームシート１４０ｓを繰り出す。

搬送ローラ２５０は、カソード側拡散層シート１２０ｓとフレームシート１４０ｓとを重ねて打抜装置５００に送る。打抜装置５００は、カソード側拡散層シート１２０ｓからのカソード側拡散層１２０の打ち抜きと、裁断刃２００によるフレームシート１４０ｓへの開口部１４１の打ち抜き形成と、マニホールド１１８の打ち抜き形成とを行うと共に、裁断刃２００を抜くときにフレームシート１４０ｓの開口部にカソード側拡散層１２０を嵌め込む。搬送ローラ２６０のうちカソード側拡散層シート１２０ｓ側の搬送ローラ２６０ａは、カソード側拡散層シート１２０ｓの幅とほぼ同じ幅であるが、フレームシート１４０ｓ側の搬送ローラ２６０ｂは、２分割されている。２つの搬送ローラ２６０ｂの間隔は、カソード側拡散層シート１２０ｓの幅よりも少し大きい。

図４は拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造工程の前半をシート搬送方向と交差するＹ方向に沿った打抜装置５００の要部構成と並記して説明する説明図であり、図５は拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造工程の後半を説明する説明図である。

拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造に当たっては、まず、図４に示すように、フレーム１４０を形成するためのシート材であるフレームシート１４０ｓに、カソード側拡散層１２０を形成するためのシート材であるカソード側拡散層シート１２０ｓを重ねる（ステップＳ１０）。フレームシート１４０ｓと、カソード側拡散層シート１２０ｓは、いずれも開口部が形成されていないシート状である。

次いで、打抜装置５００の裁断刃２００をカソード側拡散層シート１２０ｓの側から押し当てて、カソード側拡散層シート１２０ｓとフレームシート１４０ｓとを重ねた状態で裁断刃２００により打ち抜く（ステップＳ２０）。裁断刃２００は、ヒーター線２０２を内蔵し、このヒーター線２０２により、フレーム１４０の接着剤層１４０ｂ（図１参照）を溶融可能な温度に加熱された状態とされ、この加熱状態で、カソード側拡散層シート１２０ｓとフレームシート１４０ｓとを打ち抜く（ステップＳ２０）。裁断刃２００の加熱温度は、接着剤層１４０ｂを構成する接着剤の熱硬化性状に応じて、予め規定されている。

裁断刃２００は、図１に示す開口部１４１の矩形状の内周形状をなすよう矩形の環状形状とされている。裁断刃２００による同時打ち抜きにより、フレーム１４０の開口部１４１にカソード側拡散層１２０が嵌め込まれた拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａが形成され、フレーム１４０には、打ち抜かれたカソード側拡散層１２０と整合する形状を有する開口部１４１が同時形成される。打抜装置５００は、この裁断刃２００に並べてマニホールド形成刃３００を備える。マニホールド形成刃３００は、図１に示す開口部１４１のＹ軸方向両端のマニホールド１１８ごとに用意され、裁断刃２００と共に降下して、マニホールド１１８を打ち抜き形成する。

図４のステップＳ２０において、裁断刃２００により打ち抜かれた略長方形の部材をカソード側拡散層１２０およびフレーム残部１４０ａと呼び、略長方形の部材が打ち抜かれた枠側の部材をカソード側拡散層残部１２０ｂおよびフレーム１４０と呼び、マニホールド形成刃３００により打ち抜かれた略長方形の部材をマニホールド残部１４０ｐと呼ぶ。裁断刃２００が既述したように押し当てられると、カソード側拡散層１２０とフレーム１４０とは、裁断刃２００から圧縮応力を受ける。また、ステップＳ２０の打ち抜きの際、裁断刃２００は、フレーム１４０の上面においてカソード側拡散層１２０がフレーム１４０とほぼ面一になるまで押し込まれ、加熱された裁断刃２００によりフレーム１４０の接着剤層１４０ｂが溶融するまで、止め置かれる（ステップＳ２０エンド）。マニホールド形成刃３００も同様である。

ステップＳ２０に続くステップＳ３０では、図５に示すように、フレーム１４０の上面においてカソード側拡散層１２０とフレーム１４０との面一の状態を維持しながら、裁断刃２００を上昇復帰させる。裁断刃２００の上昇により、裁断刃２００の間に挟まっていたフレーム残部１４０ａは落下する。一方、打ち抜き済みのカソード側拡散層１２０は、裁断刃２００の上昇に伴って生じる打ち抜き時と逆向きの残留応力により、拡散層端部を打ち抜き前の位置に戻す。フレーム１４０についても同様である。これにより、カソード側拡散層１２０はフレーム１４０に嵌め込まれる。マニホールド残部１４０ｐにあっても、マニホールド形成刃３００の上昇により、落下する。

ステップＳ３０に続くステップＳ４０では、フレーム１４０にカソード側拡散層１２０が嵌め込まれた状態において、カソード側拡散層１２０とフレーム１４０の間には、既述した残留応力が働き、カソード側拡散層１２０は、フレーム１４０に保持された状態となる。特に、カソード側拡散層１２０が、カーボンペーパーのようにある程度の剛性を有する部材で形成されていれば、この保持状態（嵌め込み状態）がより強固になる点で好ましい。こうしてカソード側拡散層１２０がフレーム１４０に保持されることで、拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａが形成され、カソード側拡散層１２０の保持を図るステップＳ４０では、接着剤層１４０ｂが冷却される。この接着剤層１４０ｂにより、カソード側拡散層１２０は、その外周縁に亘って開口部１４１の内周縁上端においてフレーム１４０と接着される。

ステップＳ４０に続くステップＳ５０では、アノード側拡散層１３０に接合済みの触媒層接合電解質膜１１０を、接着剤１９０で拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａに接着する。この触媒層接合電解質膜１１０は、その一方の面（下面）にアノード側拡散層１３０が接合されているとともに、触媒層接合電解質膜１１０の他方の面（上面）の外縁部に接着剤１９０が塗布されたものである。接着剤１９０として紫外線により硬化する接着剤を用いても良い。フレーム１４０を紫外線透過性の部材で形成しておけば、フレーム１４０のカソード側から紫外線を照射することによって、接着剤１９０を硬化させることが可能となる。接着剤１９０は、カソード側拡散層１２０まで広がっても良い。接着剤１９０が硬化して触媒層接合電解質膜１１０が拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａに接着されることで、燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０がシート状に得られる（図３参照）。そして、後工程において、シート状の燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０は、図３に示す破断線Ａ−Ａに沿って破断されて矩形形状の燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０とされ、発電ユニット１００を構成し、発電ユニット１００が燃料電池スタック１０を構成する。

次に、上記した拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａを得るに当たっての打抜装置５００の挙動について説明する。図６は打抜装置５００の要部構成をシート搬送方向と交差するＹ方向に沿って断面視して機器動作挙動を示す説明図であり、図７は打抜装置５００の要部構成をシート搬送方向（Ｘ方向）に沿って断面視して機器動作挙動を示す説明図である。図６では、紙面奥側から紙面手前側に掛けて、カソード側拡散層シート１２０ｓとフレームシート１４０ｓとが重なって搬送される（ステップＳ１０）。この状態において、打抜装置５００は、上部ケース２１２に備える裁断刃２００をカソード側拡散層シート１２０ｓとフレームシート１４０ｓとが重なった領域の上方に待機させ、上部ケース２１２に備えるマニホールド形成刃３００をカソード側拡散層シート１２０ｓのないフレームシート１４０ｓの周縁（Ｙ方向両端周縁）の上方に待機させている。打抜装置５００は、落下孔２１４ｈを有する下部台２１４をマニホールド形成刃３００に向かい合わせ、上部受部材２１６と下部受部材２１８とを対向配置させており、下部受部材２１８とこの両側の下部台２１４でフレームシート１４０ｓを支える。上部受部材２１６と下部受部材２１８は、弾性のある部材（例えば発泡部材などのクッション性部材）で形成されていることが好ましい。ステップＳ２０にて既述したようにカソード側拡散層シート１２０ｓが打ち抜かれると、打ち抜かれたカソード側拡散層１２０は、図７に示すように、フレームシート１４０ｓの開口部１４１に嵌めこまれて、搬送下流において、フレームシート１４０ｓの下面よりも下側に飛び出る。よって、下部台２１４の搬送方向下流側２１４ｂの上面は、カソード側拡散層１２０と干渉しないように搬送方向上流側２１４ａよりも低い凹所とされている。

ステップＳ２０では、打抜装置５００は、上部ケース２１２を裁断刃２００とマニホールド形成刃３００と共に降下させて、裁断刃２００による打ち抜きとマニホールド形成刃３００による打ち抜きを行う。なお、上部受部材２１６は、裁断刃２００に同期して下降しても良い。

ステップＳ３０の打ち抜き完了時点では、上部受部材２１６は、カソード側拡散層１２０の上面がフレームシート１４０ｓの上面と面一になる状態まで降下する。裁断刃２００は、テーパー形状を有しており、テーパーでカソード側拡散層シート１２０ｓの切断面を押し広げながらカソード側拡散層シート１２０ｓからカソード側拡散層１２０を打ち抜き、さらに、フレームシート１４０ｓに食い込む。その結果、フレームシート１４０ｓの開口部の内側にカソード側拡散層１２０を位置させることができる。この食い込み時点から、裁断刃２００は、既述したようにヒーター線２０２（図４参照）で加熱状態であることから、フレームシート１４０ｓの接着剤層１４０ｂを溶融させる。そして、接着剤層１４０ｂの熱溶融が起きると、裁断刃２００はステップＳ１０に示した上方の待機位置に復帰する。これにより、フレームシート１４０ｓの開口部にカソード側拡散層１２０が嵌め込まれる。カソード側拡散層１２０が嵌め込まれたフレームシート１４０ｓは、次の工程に搬送される。

下部台２１４の搬送方向下流側２１４ｂは搬送方向上流側２１４ａよりも低いので、カソード側拡散層１２０を下部台２１４の搬送方向下流側２１４ｂと干渉させずに、フレームシート１４０ｓを搬送することが可能である。フレーム残部１４０ａは、裁断刃２００を復帰させると、下部受部材２１８上に残るので、例えば、フレーム残部１４０ａを、フレームシート１４０ｓの搬送方向と交わる方向に排出しても良い。裁断刃２００で打ち抜かれたカソード側拡散層１２０の外側のカソード側拡散層残部１２０ｂは、図３に示す搬送ローラ２６０の上流側で、フレームシート１４０ｓから剥離される。また、マニホールド形成刃３００により打ち抜かれたマニホールド残部１４０ｐは、下部台２１４の落下孔２１４ｈを落下する。

次に、図３に示す打抜装置５００の下流でなされる燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０の製造工程について説明する。図８はアノード側部材貼付装置３０を用いた燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０の製造工程を示す説明図である。アノード側部材貼付装置３０は、打抜装置５００の下流側で製造装置２０に組み込まれ、或いは、製造装置２０より下流に配設され、上部プレス板３１０と下部プレス板３２０とを備える。アノード側部材１３５は、触媒層接合電解質膜１１０とアノード側拡散層１３０とを備える部材である。触媒層接合電解質膜１１０は、電解質膜１１１と、カソード側触媒層１１２と、アノード側触媒層１１３とを備えている。アノード側部材１３５は、アノード側拡散層１３０の上に、アノード側触媒層１１３が形成された電解質膜１１１を貼り付け、電解質膜１１１の上にカソード触媒層を塗工することより、予め作成されている。カソード側触媒層１１２の大きさは、カソード側拡散層１２０の大きさとほぼ同じ大きさである。なお、カソード側触媒層１１２の大きさは、カソード側拡散層１２０よりも少し大きいことが好ましい。電解質膜１１１とアノード側触媒層１１３の大きさはほぼ同じであり、カソード側触媒層１１２の大きさよりも大きく、電解質膜１１１の外縁は、カソード側触媒層１１２よりも外側に広がっている。アノード側触媒層１１３の外面側（図面では下側）には、マイクロポーラス層１１６を挟んでアノード側拡散層１３０が配置されている。アノード側拡散層１３０の大きさは、アノード側触媒層１１３の大きさとほぼ同じである。なお、マイクロポーラス層１１６は無くても良い。

図８（Ａ）では、電解質膜１１１のカソード側触媒層１１２よりも外側にはみ出た部分に接着剤が塗布される。そして、拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａが連続したフレームシート１４０ｓの開口部１４１に嵌め込まれたカソード側拡散層１２０と、カソード側触媒層１１２とが重なるように位置合わせが行われる。フレームシート１４０ｓを透明な部材で形成すれば、位置合わせ状態を視認できるので、位置合わせ精度を高めることが可能である。

図８（Ｂ）では、上部プレス板３１０がカソード側拡散層１２０およびフレームシート１４０ｓに接するまで下方に移動され、アノード側部材１３５を載置した下部プレス板３２０が上方に移動される。

図８（Ｃ）では、カソード側拡散層１２０が上下方向に圧縮され、接着剤がフレームシート１４０ｓと接触し、フレームシート１４０ｓと、触媒層接合電解質膜１１０とが接着剤１９０により接着される。なお、上部プレス板３１０と、下部プレス板３２０の移動により、アノード側拡散層１３０も上下方向に圧縮されても良い。また、上述したように、接着剤１９０は紫外線により硬化するものであってもよい。この場合、上部プレス板３１０は、紫外線を通す材料、例えば石英により作られていても良い。

図８（Ｄ）は、形成された燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０を示す。図８（Ｃ）に比べると、カソード側拡散層１２０は、圧縮状態が緩和され、フレームシート１４０ｓより上方に飛び出ている。但し、図２のように、燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０が、燃料電池スタック１０に組まれたときには、カソード側拡散層１２０は、燃料電池スタック１０の締結力により、図８（Ｃ）に示すような状態に圧縮される。本実施形態では、フレームシート１４０ｓとカソード側拡散層１２０との間にはほとんど隙間がなく接着剤１９０が隙間から上にはみ出る可能性が低いため接着剤１９０を必要量だけ塗布することができる。

以上説明した本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法では、拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａを得るに当たり、フレームシート１４０ｓにカソード側拡散層シート１２０ｓを重ねた状態で、裁断刃２００により打ち抜くステップＳ２０〜Ｓ３０）。よって、打ち抜かれたカソード側拡散層１２０の外郭形状を、フレーム１４０において打ち抜かれた開口部１４１の開口形状に整合させる。この結果、本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法によれば、打ち抜かれたカソード側拡散層１２０の外郭形状と開口部１４１の開口形状との整合により、開口部１４１に対するカソード側拡散層１２０の寸法相違をほぼゼロにすることで開口部１４１のサイズ、延いてはフレーム１４０のサイズを大きくする必要がなくなり、燃料電池セルとしての発電ユニット１００、延いては燃料電池スタック１０をコンパクト化できる。

本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法では、打ち抜きに用いる裁断刃２００を、ヒーター線２０２により、カソード側拡散層１２０の側におけるフレーム１４０の表層部位たる接着剤層１４０ｂを溶融可能な温度に加熱しておき、この加熱済みの裁断刃２００による打ち抜きの際に、接着剤層１４０ｂを溶融させる。よって、本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法によれば、溶融した接着剤層１４０ｂが冷えて硬化する際に、フレーム１４０の開口部１４１の打ち抜き側周縁において、フレーム１４０とカソード側拡散層１２０を接着して一体化させる。この結果、本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法によれば、得られた拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａにおいて、カソード側拡散層１２０の位置ズレを抑制できるので、打抜装置５００より下流側のアノード側部材貼付装置３０への搬送を行う際の取扱が容易となる。また、拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａに触媒層接合電解質膜１１０とアノード側拡散層１３０を接合して燃料電池用電極フレームアッセンブリー１８０を製造する際の位置決めも容易となる。こうした位置ズレの抑制や簡便な位置決めが可能なことから、位置ズレの抑制しつつ位置決めする機器構成が不要となるので、設備調達費用、延いては燃料電池スタック１０のコスト低減を図ることができる。

本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法では、カソード側拡散層１２０が開口部１４１に入り込むまで裁断刃２００により打ち抜かれると、裁断刃２００を復帰させる（ステップＳ３０〜Ｓ４０）。よって、本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法によれば、カソード側拡散層１２０を開口部１４１に入り込ませたまま、溶融した接着剤層１４０ｂの硬化によりフレーム１４０とカソード側拡散層１２０を接着できるので、両者の接着の実効性が高まる。

本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法では、開口部１４１に嵌め込まれるカソード側拡散層１２０の側の表層部位を、加熱を受けると接着機能を発揮する接着剤層１４０ｂとしたので、接着剤層１４０ｂの溶融・硬化を経て、フレーム１４０とカソード側拡散層１２０とをより高い実効性で接着できる。

本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法では、マニホールド形成刃３００を裁断刃２００と共にフレームシート１４０ｓに押し当てて、フレームシート１４０ｓ、延いてはフレーム１４０にマニホールド１１８を打ち抜き形成する。よって、 本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法によれば、カソード側拡散層１２０の打ち抜き・嵌め込みと同時にマニホールド１１８を形成できるので、工数低減によるコスト低減を図ることができる。

本実施形態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａの製造方法では、カソード側拡散層１２０をフレーム１４０の開口部１４１にほぼ隙間がない状態で組込可能とする。よって、フレーム１４０の開口部１４１とカソード側拡散層１２０の隙間において電解質膜１１１が膨潤・収縮により移動するような事態が起きないようにできるので、電解質膜１１１の損傷やクロスリークも抑制できる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上記の実施形態では、フレーム表裏面に接着剤層１４０ｂを有するフレーム１４０としたが、接着剤層１４０ｂを有しないフレーム１４０としてもよい。この場合には、フレーム１４０を構成する樹脂の性状を考慮して、フレーム１４０における表層部位を溶融できるよう、裁断刃２００をヒーター線２０２にて加熱しておけばよい。また、表層部位に限らず、表層部位を含む領域において、フレーム１４０を溶融できるよう、裁断刃２００をヒーター線２０２にて加熱しておけばよい。

上記の実施形態では、フレーム１４０を平板状としたので、図１に示すように、アノード側のセパレータプレート１６０を、アノード側拡散層１３０の周縁において、拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａのフレーム１４０まで延びるようにしたが、これに限らない。図９は平板状の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａに補助フレーム１４２を併用した形態の燃料電池スタック１０を示す説明図である。補助フレーム１４２は、触媒層接合電解質膜１１０とアノード側拡散層１３０の接合した厚みにほぼ相当する厚みを備えた薄葉状の平板であり、アノード側拡散層１３０より大きな開口でこのアノード側拡散層１３０を取り囲む。このようにすれば、セパレータプレート１６０を、各部位における凹凸の程度が同一なエキスパンドメタルから容易に形成でき、好ましい。

上記の実施形態では、マニホールド形成刃３００での打ち抜きによるマニホールド１１８の形成を、裁断刃２００での打ち抜きと同時に行ったが、マニホールド形成刃３００をアノード側部材貼付装置３０に配設して、打抜装置５００では、マニホールド１１８のない状態の拡散層配設フレームアッセンブリー１４０Ａを製造するようにしてもよい。

上記の実施形態では、フレーム打ち抜きのための裁断刃２００の押し当てを、カソード側拡散層１２０（カソード側拡散層シート１２０ｓ）の側から行ったが、フレーム１４０（フレームシート１４０ｓ）の側から裁断刃２００を押し当ててもよい。

１０…燃料電池スタック
２０…製造装置
３０…アノード側部材貼付装置
１００…発電ユニット
１１１…電解質膜
１１２…カソード側触媒層
１１３…アノード側触媒層
１１６…マイクロポーラス層
１１８…マニホールド
１２０…カソード側拡散層
１２０ｂ…カソード側拡散層残部
１２０ｓ…カソード側拡散層シート
１３０…アノード側拡散層
１３５…アノード側部材
１４０…フレーム
１４０Ａ…拡散層配設フレームアッセンブリー
１４０ａ…フレーム残部
１４０ｂ…接着剤層
１４０ｐ…マニホールド残部
１４０ｓ…フレームシート
１４１…開口部
１４２…補助フレーム
１５０…セパレータプレート
１５５…酸素流路
１６０…セパレータプレート
１６５…水素流路
１７０…冷媒流路
１８０…燃料電池用電極フレームアッセンブリー
１９０…接着剤
２００…裁断刃
２０２…ヒーター線
２１２…上部ケース
２１４…下部台
２１４ａ…搬送方向上流側
２１４ｂ…搬送方向下流側
２１４ｈ…落下孔
２１６…上部受部材
２１８…下部受部材
２２０…拡散層シート繰出ローラ
２４０…フレームシート繰出ローラ
２５０…搬送ローラ
２６０…搬送ローラ
２６０ａ…搬送ローラ
２６０ｂ…搬送ローラ
３００…マニホールド形成刃
３１０…上部プレス板
３２０…下部プレス板
５００…打抜装置
６００…搬送装置

Claims (3)

1. 拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法であって、
   フレームと拡散層とを重ね合わせて配置する工程（ａ）と、
   重ね合わされた前記拡散層と前記フレームとに裁断刃を押し当てて前記拡散層と前記フレームとを重ねた状態で前記裁断刃により打ち抜き、打ち抜かれた前記拡散層と整合する形状を有する開口部を前記フレームに形成する工程（ｂ）とを備え、
   前記工程（ｂ）では、前記裁断刃を、前記拡散層の側の前記フレームの溶融を起こす温度まで加熱し、該加熱された状態の前記裁断刃にて前記打ち抜きを行う
   拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法。
2. 前記工程（ｂ）では、前記拡散層及びフレームの位置を調整する打抜装置により、前記拡散層及びフレームを保持する工程と、
   前記打抜装置に取り付けられた裁断刃により前記拡散層及びフレームを打ち抜く工程と、
   前記打抜装置により拡散層若しくはフレームの位置を調整して前記拡散層を前記フレームの開口部に入り込ませる工程とを行い、
   前記拡散層が前記フレームの開口部に入り込ませた後、前記裁断刃を復帰させる請求項1に記載の拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法。
3. 前記工程（ｂ）では、加熱を受けると接着機能を発揮する接着剤層を前記拡散層の側の表層部位に有する前記フレームを、前記拡散層と共に前記裁断刃により打ち抜く請求項１または請求項２に記載の拡散層配設フレームアッセンブリーの製造方法。

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