JP6190865B2 - 樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を第１電極及び第２電極で挟んだ段差ＭＥＡと、前記段差ＭＥＡの外周に接合される樹脂枠部材とを備える燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法及びその製造装置に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。この発電セルは、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と略同一の平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡが採用されている。

樹脂枠付きＭＥＡを製造する方法として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法が知られている。この製造方法では、樹脂製枠部材の内周突部と固体高分子電解質膜の外周縁部とが、接着層、例えば、エステル系、アクリル系又はウレタン系のホットメルト接着剤により固定されている。

通常、ＭＥＡの製造作業には、例えば、特許文献２に開示されているように、吸着用治具が用いられている。この特許文献２では、吸着用治具を構成する多孔部材の吸着面上に基材が保持されるとともに、前記基材に触媒インクが塗布される工程を有している。従って、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法では、電解質膜・電極構造体が吸着用治具に吸着保持された状態で、前記電解質膜・電極構造体上に接着層が設けられている。

特開２０１３−１３１４１７号公報 特開２０１４−２１６２３０号公報

ところで、接着層の厚さが厚くなると、発電セル自体の厚さが大きくなるとともに、接着代が必要になり、前記発電セルの発電面積を効率的に確保することが困難になる。このため、接着層の厚さを可及的に薄く形成することが望まれている。

しかしながら、接着層は、比較的大きな寸法を有する枠形状を有するため、薄肉化されると、剛性が著しく悪化して取り扱い性が低下するという問題がある。しかも、接着層を精度良く配設することができず、ＭＥＡと樹脂枠部材との貼り合わせ精度が低下するおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、薄肉な枠状接着層を段差ＭＥＡの所望の部位に高精度且つ確実に貼り付けることができ、前記段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを精度良く接合することが可能な樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを有する燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法及びその製造装置に関するものである。段差ＭＥＡでは、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられ、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の、第２電極の外方に露呈する外周面に、枠状の接着層により接合されている。

この製造方法では、作業テーブル上で、第１吸引機構を介して段差ＭＥＡが吸引保持された状態で、接着層が設けられたフィルム部材は、第２吸引機構を介して該接着層が該段差ＭＥＡに重なり合うように吸引保持されている。そして、接着層が段差ＭＥＡに貼り付けられた後、フィルム部材が剥離され、前記接着層を介して前記段差ＭＥＡと樹脂枠部材とが接合されている。

また、この製造方法では、接着層が設けられたフィルム部材をロール状に巻回したフィルムロールが用意され、前記フィルムロールが巻き戻されて作業テーブルに繰り出されることが好ましい。次いで、作業テーブルは、テーブル面に垂直な軸回りに回転することにより、接着層の貼り付け位置に対応して段差ＭＥＡを位置決めすることが好ましい。

さらに、この製造方法では、接着層を段差ＭＥＡに貼り付ける前に、該接着層と該段差ＭＥＡとを部分的に接合させる仮止め処理を行うことが好ましい。

さらにまた、この製造方法では、接着層が設けられたフィルム部材をロール状に巻回したフィルムロールが用意され、前記フィルムロールが巻き戻されて繰り出されることが好ましい。次に、段差ＭＥＡ上の接着層始端位置、接着層終端位置及び接着層長さが計測され、接着層は、前記計測された情報に基づいて切断され、作業テーブル上に移送されることが好ましい。

また、この製造装置では、作業テーブル上に段差ＭＥＡを吸引保持する第１吸引機構と、前記第１吸引機構により該段差ＭＥＡが吸引保持された状態で、接着層が設けられたフィルム部材を、該接着層が該段差ＭＥＡに重なり合うように吸引保持する第２吸引機構と、を備えている。

本発明によれば、作業テーブル上で、第１吸引機構を介して、例えば、イオン交換膜の微少リーク特性を利用しつつ、段差ＭＥＡが吸引保持されるとともに、第２吸引機構を介して接着層が設けられたフィルム部材が前記段差ＭＥＡ上に吸引保持されている。従って、特に、薄肉化された接着層であっても、フィルム部材に設けられているため、剛性を確保することができ、取り扱い性が良好に向上する。

しかも、接着層は、フィルム部材を介して段差ＭＥＡ上に吸引保持されている。これにより、簡単な工程で、薄肉な接着層を段差ＭＥＡの所望の部位に高精度且つ確実に貼り付けることができ、前記段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを精度良く接合することが可能になる。

本発明に係る製造方法が適用される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る製造方法に使用される製造装置、段差ＭＥＡ及びフィルム部材の斜視説明図である。 前記製造方法において、前記段差ＭＥＡと前記フィルム部材との位置決め作業の説明図である。 前記製造方法において、前記フィルム部材を前記段差ＭＥＡ上に吸引保持する際の説明図である。 前記製造方法において、前記段差ＭＥＡに接着フィルムを貼り付ける際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る製造方法に使用される製造装置の説明図である。 フィルムロールの斜視説明図である。 前記製造方法において、前記段差ＭＥＡの一方の長辺に前記接着フィルムを貼り付ける際の説明図である。 前記一方の長辺に前記接着フィルムを貼り付ける際の断面説明図である。 前記製造方法において、前記段差ＭＥＡの一方の短辺に前記接着フィルムを貼り付ける際の説明図である。 前記製造方法において、前記段差ＭＥＡの他方の長辺に前記接着フィルムを貼り付ける際の説明図である。 前記製造方法において、前記段差ＭＥＡの他方の短辺に前記接着フィルムを貼り付ける際の説明図である。 他のフィルムロールの斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る製造方法の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る製造方法の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明に係る製造方法が適用される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型発電セル（単位セル）１２に組み込まれる。複数の発電セル１２は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

発電セル１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。

長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、段差ＭＥＡ１０ａを備える。図２に示すように、段差ＭＥＡ１０ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２とを有する。固体高分子電解質膜１８は、陽イオン交換膜であり、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２０よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有するとともに、前記固体高分子電解質膜１８と前記アノード電極２０とは、同一の平面寸法を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極２０は、第２電極となり、カソード電極２２は、第１電極となる。

図２に示すように、アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを設ける。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、同一の平面寸法（外形寸法）を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と同一（又は同一未満）の平面寸法に設定される。なお、第１電極触媒層２０ａは、第１ガス拡散層２０ｂよりも小さな平面寸法（又は大きな平面寸法）に設定されてもよい。

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを設ける。第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、同一の平面寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８の平面寸法よりも小さな平面寸法に設定される。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂ側の外周縁部には、カソード電極２２の外方に露呈する露出面１８ｂｅが設けられる。

なお、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとは、同一の平面寸法に設定されているが、前記第２電極触媒層２２ａの平面寸法は、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きな寸法（又は小さな寸法）を有してもよい。

第１電極触媒層２０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層２０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。

第１ガス拡散層２０ｂは、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２０ｂ（ｃ）とから形成される。第２ガス拡散層２２ｂは、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２２ｂ（ｃ）とから形成される。第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも小さく設定される。

第１電極触媒層２０ａと第２電極触媒層２２ａとは、固体高分子電解質膜１８の面１８ａと面１８ｂとに形成される。なお、マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）及び２２ｂ（ｍ）は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅに接合されるフィルム状の樹脂枠部材（断面が異形状の樹脂成形体又は厚さが一定の樹脂フィルム）２４を備える。

樹脂枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等で構成される。

樹脂枠部材２４は、薄肉状の内側突出部２４ａを有し、前記内側突出部２４ａには、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅに接合される接着面２４ａｓが設けられる。固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅと樹脂枠部材２４の接着面２４ａｓとの間には、例えば、ホットメルトシート等の接着フィルム２６ａによる枠状接着層２６が設けられる。

図１に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

樹脂枠部材２４には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは形成されない。すなわち、樹脂枠部材２４の外周端は、６つの連通孔の内方に位置する。

第１セパレータ１４の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通して矢印Ｂ方向に延在する複数本の燃料ガス流路３６が形成される。燃料ガス流路３６は、複数本の波状流路溝又は直線状流路溝を有する。

第２セパレータ１６の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通して矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路３８が設けられる。酸化剤ガス流路３８は、複数本の波状流路溝又は直線状流路溝を有する。

互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通して矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路溝を有する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成する樹脂枠部材２４に当接する第１凸状シール４２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、第２凸状シール４２ｂに当接する面がセパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を製造するための本発明の第１の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。

先ず、段差ＭＥＡ１０ａが作製される一方、樹脂枠部材２４は、金型（図示せず）を用いて射出成形された部材、又は、フィルムをトムソン刃で枠状に切断した部材が用意される。

図３に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を製造する製造装置５０は、作業テーブル５２を備える。作業テーブル５２の上面（載置面）５２ｓには、内側吸着ライン（第１吸引機構）５４と外側吸着ライン（第２吸引機構）５６とが設けられる。

内側吸着ライン５４は、例えば、格子状の溝により形成され、段差ＭＥＡ１０ａを構成するアノード電極２０の平面寸法内に設けられる。外側吸着ライン５６は、例えば、内側吸着ライン５４を周回する長方形状の溝により形成されるとともに、段差ＭＥＡ１０ａの平面寸法よりも大きな寸法に形成される。

内側吸着ライン５４には、作業テーブル５２の内部を貫通した複数の小孔を介して第１吸引管５４ａが接続され、図示しない吸引源に連通する。外側吸着ライン５６には、作業テーブル５２の内部を貫通した複数の小孔を介して第２吸引管５６ａが接続され、図示しない吸引源に連通する。第１吸引管５４ａと第２吸引管５６ａとは、独立して吸引される。なお、内側吸着ライン５４及び外側吸着ライン５６は、それぞれ複数個の細孔により形成してもよい。

そこで、段差ＭＥＡ１０ａが作業テーブル５２上に吸引される。具体的には、段差ＭＥＡ１０ａは、アノード電極２０を下向きにして作業テーブル５２の上面５２ｓに載置される。作業テーブル５２では、第１吸引管５４ａの吸引作用下に、内側吸着ライン５４が吸引され、段差ＭＥＡ１０ａは、イオン交換膜の微少リーク特性を利用しつつ、上面５２ｓに吸引保持される。

一方、フィルム部材（キャリアフィルム）５８が用意される。フィルム部材５８は、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等で形成される長尺ウエブである。フィルム部材５８には、矩形の枠状の接着フィルム２６ａが所定間隔ずつ離間して複数個設けられる。接着フィルム２６ａは、数μｍ〜２５０μｍの厚さに設定される。

なお、フィルム部材５８は、単一の接着フィルム２６ａを設ける矩形状（作業テーブル５２と同等の寸法）に設定されてもよい。フィルム部材５８の幅寸法Ｓ１は、作業テーブル５２の幅寸法Ｓ２と同等、僅かに大きな寸法又は僅かに小さな寸法に設定される。

次いで、図４に示すように、作業テーブル５２上にフィルム部材５８が配置され、撮像器６０ａ、６０ｂにより、段差ＭＥＡ１０ａと接着フィルム２６ａとの相対的な位置が検出される。そして、段差ＭＥＡ１０ａと接着フィルム２６ａとの位置決めが行われた後、図５に示すように、フィルム部材５８が作業テーブル５２上の前記段差ＭＥＡ１０ａに重ねられ、第２吸引管５６ａが吸引される。このため、外側吸着ライン５６が吸引され、フィルム部材５８は、接着フィルム２６ａが段差ＭＥＡ１０ａに重なり合うように吸引保持されている。

段差ＭＥＡ１０ａが、作業テーブル５２の上面５２ｓに吸引保持されるとともに、フィルム部材５８が前記段差ＭＥＡ１０ａに重なって吸引保持された状態で、図６に示すように、ヒータローラ６２による加圧及び加熱処理が施される。ヒータローラ６２は、フィルム部材５８上を回転しながら移動することにより、接着フィルム２６ａが段差ＭＥＡ１０ａに貼り付けられる。なお、加圧加熱方式としては、ヒータローラ６２の他、接着形状に応じた熱盤等を使用することができる。また、接着フィルム２６ａが自己タック性を有する際には、加圧のみで加熱する必要はない。

段差ＭＥＡ１０ａに接着フィルム２６ａが貼り付けられた後、必要に応じて冷却処理が行われる。さらに、第２吸引管５６ａによる吸引が解除されるとともに、フィルム部材５８が作業テーブル５２から剥離される。その後、段差ＭＥＡ１０ａと接着フィルム２６ａとの貼り付け状態が検査され、第１吸引管５４ａによる吸引が解除されることにより、段差ＭＥＡ１０ａが作業テーブル５２から取り出される。

次に、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅと樹脂枠部材２４の接着面２４ａｓとの接合部位は、接着フィルム２６ａが介装された状態で、加熱及び加圧処理される。このため、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とは、枠状接着層２６により接合され、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、作業テーブル５２の上面５２ｓで、内側吸着ライン５４を介して段差ＭＥＡ１０ａが吸引保持されている。この状態で、接着フィルム２６ａが設けられたフィルム部材５８は、外側吸着ライン５６を介して段差ＭＥＡ１０ａ上に吸引保持されている。

従って、内側吸着ライン５４と外側吸着ライン５６との順に、２段階で独立して吸引することにより、良好な負圧状態を得ることができ、エア抜けや加圧加熱による位置ずれを確実に抑制することが可能になる。これにより、特に、薄肉化された接着フィルム２６ａであっても、フィルム部材５８に設けられているため、剛性を確保することができ、取り扱い性が良好に向上する。

しかも、接着フィルム２６ａは、フィルム部材５８を介して段差ＭＥＡ１０ａ上に吸引保持されている。このため、簡単な工程で、薄肉な接着フィルム２６ａを段差ＭＥＡ１０ａの所望の部位に高精度且つ確実に貼り付けることができ、前記段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを精度良く接合することが可能になるという効果が得られる。

次に、このように構成される発電セル１２の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３８に導入され、矢印Ｂ方向に移動して段差ＭＥＡ１０ａのカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第１セパレータ１４の燃料ガス流路３６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、段差ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。

従って、各段差ＭＥＡ１０ａでは、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２２ａ及び第１電極触媒層２０ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、段差ＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

図７に示すように、本発明の第２の実施形態に係る製造方法に使用される製造装置７０は、作業テーブル７２を備える。作業テーブル７２は、回転機構７４を介してテーブル面に垂直な軸Ｏ回りに回転自在である。作業テーブル７２の上面（載置面）７２ｓには、内側吸着ライン（第１吸引機構）５４と外側吸着ライン（第２吸引機構）７６とが設けられる。軸Ｏは、内側吸着ライン５４及び外側吸着ライン７６の中心位置である。

外側吸着ライン７６は、例えば、内側吸着ライン５４を周回する長方形状の溝により形成されるとともに、段差ＭＥＡ１０ａの平面寸法よりも大きな寸法に形成される。外側吸着ライン７６は、２本の長辺ライン７６Ｌ１、７６Ｌ２と２本の短辺ライン７６Ｓ１、７６Ｓ２とを有し、これらは、それぞれ独立して吸引可能である。

図８に示すように、第２の実施形態では、フィルムロール７８が用いられる。フィルムロール７８は、長尺なフィルム部材５８Ｌを備え、前記フィルム部材５８Ｌには、幅方向（矢印Ｈ方向）一端側に近接して長尺な接着フィルム２６Ｌが設けられるとともに、巻回されている。

そこで、図９に示すように、段差ＭＥＡ１０ａが作業テーブル７２の上面７２ｓに載置され、吸引保持されている。フィルムロール７８からフィルム部材５８Ｌが繰り出され、接着フィルム２６Ｌが段差ＭＥＡ１０ａの所定の貼り付け位置である一方の長辺に沿って配置される。作業テーブル７２では、外側吸着ライン７６の一方の長辺ライン７６Ｌ１のみが吸引され、フィルム部材５８Ｌは、段差ＭＥＡ１０ａに重なり合って前記作業テーブル７２の上面７２ａに吸引保持される。

その際、図１０に示すように、接着フィルム２６Ｌは、一部をカソード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂの先端縁部に重なり合って固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅに配置される。この状態で、図示しないヒータローラにより接着フィルム２６Ｌの所定の長さに亘って加圧加熱処理が施される。さらに、フィルム部材５８Ｌが剥離されることにより、段差ＭＥＡ１０ａには、一方の長辺に接着フィルム２６Ｓ１が貼り付けられる。

次いで、図１１に示すように、作業テーブル７２は、回転機構７４を介して軸Ｏ回りに９０゜だけ回転される。このため、段差ＭＥＡ１０ａの次なる貼り付け位置である一方の短辺が、フィルム部材５８Ｌの繰り出し範囲に配置される。そして、作業テーブル７２とフィルムロール７８との相対位置を調整するために、前記作業テーブル７２又は前記フィルムロール７８の矢印Ｈ方向に対する位置調整がされる。

フィルムロール７８からフィルム部材５８Ｌが繰り出され、接着フィルム２６Ｌが段差ＭＥＡ１０ａの所定の貼り付け位置である一方の短辺に沿って配置される。作業テーブル７２では、外側吸着ライン７６の一方の短辺ライン７６Ｓ１のみが吸引され、フィルム部材５８Ｌは、段差ＭＥＡ１０ａに重なり合って前記作業テーブル７２の上面７２ｓに吸引保持される。

この状態で、図示しないヒータローラにより接着フィルム２６Ｌの所定の長さに亘って加圧加熱処理が施される。さらに、フィルム部材５８Ｌが剥離されることにより、段差ＭＥＡ１０ａには、一方の短辺に接着フィルム２６Ｓ２が貼り付けられる。

図１２に示すように、作業テーブル７２は、回転機構７４を介して軸Ｏ回りに９０゜だけ回転される。このため、段差ＭＥＡ１０ａの次なる貼り付け位置である他方の長辺が、フィルム部材５８Ｌの繰り出し範囲に配置される。そして、作業テーブル７２とフィルムロール７８との矢印Ｈ方向に対する相対位置が調整される。

フィルムロール７８からフィルム部材５８Ｌが繰り出され、接着フィルム２６Ｌが段差ＭＥＡ１０ａの所定の貼り付け位置である他方の長辺に沿って配置される。作業テーブル７２では、外側吸着ライン７６の他方の長辺ライン７６Ｌ２のみが吸引され、フィルム部材５８Ｌは、段差ＭＥＡ１０ａに重なり合って前記作業テーブル７２の上面７２ｓに吸引保持される。

この状態で、図示しないヒータローラにより接着フィルム２６Ｌの所定の長さに亘って加圧加熱処理が施される。さらに、フィルム部材５８Ｌが剥離されることにより、段差ＭＥＡ１０ａには、他方の長辺に接着フィルム２６Ｓ３が貼り付けられる。

図１３に示すように、作業テーブル７２は、回転機構７４を介して軸Ｏ回りに９０゜だけ回転される。このため、段差ＭＥＡ１０ａの次なる貼り付け位置である他方の短辺が、フィルム部材５８Ｌの繰り出し範囲に配置される。そして、作業テーブル７２とフィルムロール７８との矢印Ｈ方向に対する相対位置が調整される。

フィルムロール７８からフィルム部材５８Ｌが繰り出され、接着フィルム２６Ｌが段差ＭＥＡ１０ａの所定の貼り付け位置である他方の短辺に沿って配置される。作業テーブル７２では、外側吸着ライン７６の他方の短辺ライン７６Ｓ２のみが吸引され、フィルム部材５８Ｌは、段差ＭＥＡ１０ａに重なり合って前記作業テーブル７２の上面７２ｓに吸引保持される。

この状態で、図示しないヒータローラにより接着フィルム２６Ｌの所定の長さに亘って加圧加熱処理が施される。さらに、フィルム部材５８Ｌが剥離されることにより、段差ＭＥＡ１０ａには、他方の短辺に接着フィルム２６Ｓ４が貼り付けられる。これにより、段差ＭＥＡ１０ａには、枠状の接着フィルム２６ａが設けられる。

このように、第２の実施形態では、作業テーブル７２は、回転機構７４を介してテーブル面に垂直な軸Ｏ回りに回転自在である。このため、長尺状の接着フィルム２６Ｌが設けられたフィルムロール７８を使用して、段差ＭＥＡ１０ａに枠状の接着フィルム２６ａを形成することができる。従って、種々の形状の接着フィルムを容易に形成することが可能になり、汎用性が向上するという効果が得られる。また、隣り合う接着フィルム２６ａの間の隙間は、後工程の加圧、加熱処理によりなくすことができる。

さらに、フィルムロール７８を用いることにより、各種フィルムロールをカートリッジのように交換するだけで、他品種に対応することができる。例えば、図１４に示すフィルムロール７８ａを採用することも可能である。フィルムロール７８ａは、長尺なフィルム部材５８Ｌを備え、前記フィルム部材５８Ｌには、枠状に形成された接着フィルム２６ａが所定の間隔ずつ離間して設けられるとともに、巻回されている。なお、枠状の接着フィルム２６ａに代えて、円形状、三角形状又は多角形状の種々の形状の接着フィルムを設けてもよい。すなわち、予め直線及び円形や多角形の接着層が設けられたフィルム部材をロール状に巻回したフィルムロールを用意し、セットするフィルムロールを交換するだけで、他品種のフィルムロールを巻き戻して作業テーブルに繰り出すことができる。

図１５に示すように、本発明の第３の実施形態に係る製造方法では、特に長尺な接着フィルム２６Ｓ１を段差ＭＥＡ１０ａに貼り付ける前に、段差部位のずれ防止を目的として接着層の直線及び円形や多角形を問わず、接着フィルム２６Ｌと前記段差ＭＥＡ１０ａとを部分的に接合させる仮止め処理が行われる。具体的には、予め、接着フィルム２６Ｌの所定の位置に、例えば、３カ所に、加圧加熱処理（加圧のみ、又は加熱のみでもよい）が施され、仮止め部８２ａ、８２ｂ及び８２ｃが形成される。次いで、図示しないヒータローラ及び接着形状に応じた熱盤により、接着フィルム２６Ｌの所定の長さに亘って加圧加熱処理が施される。

このように、第３の実施形態では、段差ＭＥＡ１０ａの段差部位に跨って長尺な接着フィルム２６Ｓ１が設けられる際、貼り付け方向（矢印Ｆ方向）に沿って前記接着フィルム２６Ｓ１に蛇行が発生することを確実に抑制することができる。これにより、接着フィルム２６ａは、平面だけではなく、段差部位にも高精度に貼り付け可能であるという効果が得られる。

本発明の第４の実施形態に係る製造方法では、例えば、図９、図１１〜図１３に示す第２の実施形態と同様に、接着フィルム２６Ｓ１、２６Ｓ２、２６Ｓ３及び２６Ｓ４を段差ＭＥＡ１０ａに設けている。

その際、段差ＭＥＡ１０ａ上の各接着フィルム２６Ｓ１〜２６Ｓ４毎に、図９に示すように、接着層始端位置、接着層終端位置及び接着層長さが計測されている。装置内では、図１６に示すように、接着フィルム２６Ｌは、計測された情報に基づいて、カット部位８０で切断され又は中抜きされ、作業テーブル７２上に移送されている。

このように、第４の実施形態では、段差ＭＥＡ１０ａ上での各接着層貼り付け部位の位置に合わせて、接着フィルム２６Ｌが切り出されるため、各接着フィルム２６Ｓ１〜２６Ｓ４の始端位置を高精度に設定することができ、貼り付け精度の向上が容易に図られる。

１０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 １０ａ…段差ＭＥＡ
１２…発電セル １４、１６…セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 １８ｂｅ…露出面
２０…アノード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…カソード電極
２４…樹脂枠部材 ２６…枠状接着層
２６ａ…接着フィルム ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…燃料ガス流路
３８…酸化剤ガス流路 ４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材 ５０…製造装置
５２…作業テーブル ５４…内側吸着ライン
５６…外側吸着ライン ５８…フィルム部材
６２…ヒータローラ

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差ＭＥＡと、
   前記固体高分子電解質膜の、前記第２電極の外方に露呈する外周面に、枠状の接着層により接合される樹脂枠部材と、
   を有する燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   作業テーブル上で、第１吸引機構を介して前記段差ＭＥＡを吸引保持する工程と、
   前記第１吸引機構により該段差ＭＥＡが吸引保持された状態で、前記接着層が設けられたフィルム部材を、第２吸引機構を介して該接着層が該段差ＭＥＡに重なり合うように吸引保持する工程と、
   前記接着層が前記段差ＭＥＡに貼り付けられた後、前記フィルム部材を剥離する工程と、
   前記接着層を介して前記段差ＭＥＡと前記樹脂枠部材とを接合する工程と、
   を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法であって、前記接着層が設けられた前記フィルム部材をロール状に巻回したフィルムロールを用意し、前記フィルムロールを巻き戻して前記作業テーブルに繰り出す工程と、
   該作業テーブルを、テーブル面に垂直な軸回りに回転させることにより、該接着層の貼り付け位置に対応して前記段差ＭＥＡを位置決めする工程と、
   を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の製造方法であって、前記接着層を前記段差ＭＥＡに貼り付ける前に、該接着層と該段差ＭＥＡとを部分的に接合させる仮止め処理を行う工程を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
4. 請求項１記載の製造方法であって、前記接着層が設けられた前記フィルム部材をロール状に巻回したフィルムロールを用意し、前記フィルムロールを巻き戻して繰り出す工程と、
   前記段差ＭＥＡ上の接着層始端位置、接着層終端位置及び接着層長さを計測する工程と、
   前記接着層を、前記計測された情報に基づいて切断し、前記作業テーブル上に移送する工程と、
   を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
5. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差ＭＥＡと、
   前記固体高分子電解質膜の、前記第２電極の外方に露呈する外周面に、枠状の接着層により接合される樹脂枠部材と、
   を有する燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造装置であって、
   作業テーブル上に前記段差ＭＥＡを吸引保持する第１吸引機構と、
   前記第１吸引機構により該段差ＭＥＡが吸引保持された状態で、前記接着層が設けられたフィルム部材を、該接着層が該段差ＭＥＡに重なり合うように吸引保持する第２吸引機構と、
   を備えることを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造装置。

Images