JP2005129343A - 膜電極接合体とそれを用いた燃料電池およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フレーム付き膜電極接合体５ａを連続して製造する。また、セパレータ７との位置合わせ作業や接着積層作業が容易な得られたフレーム付き膜電極接合体５ａを得る。それにより、高い発電性能を持つ燃料電池１０を連続してかつ安価に生産することが可能となる。
【解決手段】 帯状の電解質膜１ｗ上に電極４を形成して該帯状の電解質膜１ｗの長手方向に膜電極積層体５を連続的に形成する。膜電極積層体５の周囲の電解質膜を覆うようにしてフレーム２０を接着積層する。隣接するフレーム２０との間で帯状の電解質膜１ｗを切断してバッチ化したフレーム付き膜電極接合体５ａとする。側方に延出している電解質膜部分１ａを接着剤中に埋設するようにして、セパレータ７を積層一体化して、燃料電池とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池、特に固定高分子形燃料電池で用いられる膜電極接合体とそれを用いた燃料電池、およびそれらの製造方法に関する。

燃料電池の１つとして固体高分子形燃料電池が知られている。図７はその一例であり、電解質膜１の両側に触媒層２と拡散層３とが電極（アノード側電極、カソード側電極）４として積層された膜電極接合体（ＭＥＡ）５が形成され、それを両面にリブ（ガス流路）６、６を備えたセパレータ７で挟持して単セルと呼ばれる１つの燃料電池１０が形成される。通常、多数個の単セルが気密に組み付けられた燃料電池スタック１１とされ、実用に供される。セパレータ７の外周領域にはガス流路となる穴（マニホルド穴）８・・が形成され、燃料電池の運転に必要な燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）がマニホルド穴８・・を通してセパレータ７の両面に形成したリブ（ガス流路）６、６を介して電極４、４にそれぞれ供給される。また、冷却水用のマニホルド穴も設けられる場合もある。

高い電池性能を得るためには多くの要件を満たす必要があるが、膜電極接合体５とセパレータ７とが高い精度で位置合わせされ、かつ、等しい面圧で気密に積層されることも大きな要件となる。しかし、膜電極接合体５は薄く曲がりやすいものであり、上下のセパレータ７、７の間に膜電極接合体５を所望するように積層することは容易でなく、大きな作業負担となっている。

膜電極接合体とセパレータとの積層作業を簡素化し、かつ高い性能の燃料電池を得ることのできる改良された燃料電池の製造方法として、特許文献１（特開平７−２４９４１７号公報）には、図８に示すように、膜電極接合体５の周囲に張り出している電解質膜部分１ａを、当該電解質膜部分１ａを含む面積よりも一回り大きなフレーム２０，２０で、シール機能を備えた接着剤２１を介して、上下から挟持一体化したフレーム付きの膜電極接合体５ａを造り、そのフレーム２０，２０を利用して、同様にシール機能を備えた接着剤２１を用いてセパレータ７，７を積層一体して燃料電池１０とする技術が提案されている。なお、図８で、８はマニホルド穴であり、９はフレーム２０，２０の姿勢を安定化するためのスペーサである。フレームにはフェノール系樹脂、ＰＰＳ、ポリアミドなどの樹脂材料が用いられる。このようにフレーム付きの膜電極接合体を用いることにより、膜電極接合体の保形性を高めることでセパレータとの積層一体化作業が容易となると共に、膜電極接合体とセパレータとの接触面の高い平坦性も確保することができる利点がある。

図９は、上記の方法により製造した燃料電池の他の例を示す断面図であり、マニホルド穴８のない方向での断面を示している。この例では、セパレータ７として金属板を板金加工したものを用いており、一枚の金属板の表裏面に燃料ガス流路６ａと空気流路６ｂとが平行して形成されている。ここでも、電解質膜１の両面に触媒層と拡散層とがこの順で積層された電極４が形成され、「電極の４周」には電解質膜１ａが張り出している。フレーム２０の側辺はこの張り出した電解質膜部分１ａの先端よりも外側（側方）に位置しており、電解質膜部分１ａは接着剤２１内に全体が埋設してガスシール性を確保している。セパレータ７の大きさはフレーム２０の大きさとほぼ同じとされ、周縁領域をシール機能を持つ接着剤２１を介してフレーム付き膜電極接合体５ａのフレーム２０に接着一体化している。

特開平７−２４９４１７号公報

図８あるいは図９に示したフレーム付きの膜電極接合体５ａを造るにあたっては、バッチ化した膜電極接合体５（すなわち、１個ずつに分離された膜電極接合体５）を予め用意し、それを所要箇所にシール機能を備えた接着剤を予め塗布した下方フレーム２０の上に位置合わせして配置し、その上から、同様に所要箇所に接着剤を予め塗布した上方フレーム２０を圧着するようにしている。シール機能を備えた接着剤には熱硬化型の接着剤が用いられ、圧着したフレーム付きの膜電極接合体５ａは加熱室に運ばれて接着剤が硬化するまで放置される。

前記したように、膜電極接合体５は薄く曲がりやすいものであり、バッチ化した膜電極接合体５をフレーム２０に対して適切に位置決めすることは容易でなく、手作業で１つ１つ作業を行わざるを得ないことから、従来の膜電極接合体５をセパレータ７に位置決めして接着一体化する場合と同様、フレーム２０と膜電極接合体５の接着一体化作業は、大きな作業負担となっている。

一方、帯状の膜電極接合体を用い、そこに触媒層２と拡散層３とが積層した電極４を備えた膜電極積層体５を長手方向に所定の間隔をおいて連続的に形成することが行われる。図１０はその一例であり、帯状の電解質膜１ｗの両面に所定の間隔をおいて触媒層２、２が積層した部材１ｗａが別途調整され、それが上下一対の吸着機能を兼ね備えた加熱ローラ３０、３０の間を通過するようにされている。加熱ローラ３０、３０にはロータリーカッター３１が対設しており、加熱ローラ３０、３０とロータリーカッター３１との間には帯状の拡散層材料３ａが送り込まれ、ロータリーカッター３１により所定の大きさに拡散層３が切断される。切断された拡散層３、３は、吸着機能を兼ね備えた加熱ローラ３０、３０により吸着された状態で、加熱ローラ３０、３０の回転により部材１ａの両面に送られ、電解質膜１ｗに形成された触媒層２、２の上に次第にホットプレスされる。それにより、帯状の電解質膜１ｗには膜電極接合体５が一定間隔で連続的に形成される。そして、各膜電極接合体５は、下流側で図示しない切断装置により個々の膜電極接合体５に切断・分離されてバッチ化される。なお、上記した加熱ローラ３０とロータリーカッター３１とで構成される薄膜切断装置の一例は特開２００３−４８１９０号公報に示されている。

図１０に示した装置を用いることにより、連続的に膜電極接合体５を製造することが可能となり、生産効率は向上する。しかし、図８，図９を用いて説明したようなフレーム付き膜電極接合体５ａを製造するにあたっては、バッチ化した膜電極接合体５を予め用意して、それをフレーム２０に組み付けるようにしているために、両者の位置決め作業などが容易でなく、生産性は大きくは向上しない。また、連続生産も不可能である。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、連続生産が可能でありそのために生産性も大きく向上する、改良されたフレーム付き膜電極接合体とそれを用いた燃料電池、およびそれらの製造方法を提供することを目的とする。

本発明によるフレーム付き膜電極接合体の製造方法は、帯状の電解質膜上に触媒層と拡散層とがこの順で積層した電極を所定間隔で形成して当該帯状の電解質膜の長手方向に膜電極積層体を所定の間隔で連続的に形成する工程と、形成された膜電極積層体の電極周囲の電解質膜部分を覆うようにしてフレームを配置し隣接するフレームとの間に電解質膜が露出するようにして当該フレームを前記電解質膜部分に接着剤を介して積層してフレーム付き膜電極接合体とする工程と、フレームとフレームとの間に露出する電解質膜を切断してフレームの対向する２辺から電解質膜が外側に延出した状態のフレーム付きの膜電極接合体を個々に分離する工程と、を少なくとも有することを特徴とする。

本発明の方法において、第１の工程である「帯状の電解質膜上に触媒層と拡散層とがこの順で積層した電極を所定間隔で形成して当該帯状の電解質膜の長手方向に膜電極積層体を所定の間隔で連続的に形成する工程」は、図１０に基づき説明したような装置と方法を用いて行うことができる。用いる電解質膜は従来知られた帯状の電解質膜をそのまま用いることができる。電解質膜に触媒層を形成する方法も任意であり、例えば印刷による方法やスプレー塗布のような方法で行うことができる。触媒層に拡散層を積層する方法は図１０に示した加熱ロールを用いる方法が高い生産性を得られることから好ましいが、平板プレスでもって拡散層をホットプレスするようにしてもよい。触媒層を構成する材料および拡散層を構成する材料は、従来用いられているものをそのまま用いることができる。上記の工程により、帯状の電解質膜上には、電極の周囲に電解質膜が張り出た状態の膜電極積層体が所定の間隔をおいて連続的に形成される。

次工程で、形成された膜電極積層体の電極周囲の電解質膜部分を覆うようにして電解質膜の上下にフレームを配置し、隣接する（先行する）フレームとの間に電解質膜が露出するようにして当該フレームを前記電解質膜部分に接着剤を介して接着積層する。それにより、間に電解質膜を残した状態で、フレーム付き膜電極接合体が連続的に形成される。膜電極接合体は帯状の電解質膜を繋ぎ材として連続して送られてくるものであり、従来のバッチ化されている膜電極接合体に対してフレームを積層一体化するのと比較して、作業も容易であり、高い位置決め精度も得られる。

フレームは樹脂材料の成形品として作ることができる。フレームは中央に電極部分を露出する開口を備えると共に、フレームの帯状電解質膜の横幅方向での長さは、電解質膜よりも側方に延出する長さとされる。そして、好ましくは、該延出した領域にマニホルド穴が形成される。接着剤はシール機能を備えた接着剤であり、好ましくは熱硬化性の接着剤を用いる。フレームの電解質膜に面する側の所要箇所に接着剤を予め塗布しておき、それを帯状の電解質膜の上下に配置して適宜の押圧手段により圧着する。接着剤は、形成されたフレーム付き膜電極接合体に不必要なガスクロスや気密性破壊が起こらないように、所要箇所に塗布される。

次の工程で、帯状の電解質膜を繋ぎ材として連続しているフレーム付き膜電極接合体をフレームとフレームとの間に露出する電解質膜を切断することによりバッチ化、すなわち、個々に切り離して分離する。このようにして切断分離することにより、フレームの対向する２辺（帯状の電解質膜の短手方向に平行な２辺）から電解質膜が外側に延出した状態とされたフレーム付きの膜電極接合体を連続的に得ることができる。分離直後のフレーム付きの膜電極接合体は熱硬化性の接着剤が未硬化の状態であり、加熱室で一定時間加熱処理を施すことが必要となるが、本発明によるフレーム付きの膜電極接合体は所要の剛性を持つフレームと一体化されており、加熱室への移動なども容易に行うことができる。

本発明は、上記の方法により製造されたフレーム付きの膜電極接合体を用いて燃料電池を製造する方法も開示する。すなわち、本発明による燃料電池の製造方法は、上記のフレーム付き膜電極接合体に対して、当該フレームの対向する２辺（帯状の電解質膜の短手方向に平行な２辺）から外側に延出している電解質膜部分の全部を覆うことのできる大きさのセパレータを、はみ出している電解質膜部分の全体が接着剤の中に埋設するようにして、接着剤により積層一体化することを特徴とする。

フレーム付きの膜電極接合体とセパレータとを積層一体化する作業を行うに際して、両者を相対的に移動することや、位置合わせが必要となる。本発明による膜電極接合体は所要の剛性を持つフレームと一体化されており、手作業はもとより適宜のロボットなどで所要位置に移動することは容易となる。そのために、セパレータに対する位置決めも高い精度で容易に行うことができる。また、セパレータの組み付けと張り出ている電解質膜部分のシールとを１つの作業で行うこともできる。そのために、従来のフレーム付きの膜電極接合体を用いた場合と比較して、高い発電性能を持つ燃料電池を連続してかつ安価に生産することが可能となる。

本発明は、さらに、電解質膜の両面に触媒層と拡散層とがこの順で積層された電極を備えた膜電極積層体と、該膜電極積層体の電極周囲に張り出している電解質膜部分を両面から接着剤を介して挟持する一対のフレームとを備えた膜電極積層体であって、フレームの対向する２辺からは電解質膜が外側に延出した状態とされていることを特徴とするフレーム付き膜電極接合体、をも開示する。このフレーム付き膜電極接合体は、上記した製造方法により効果的に製造することができるが、他の方法により製造することもできる。

このようなフレーム付き膜電極接合体を製造するにあたっては、接着剤として熱硬化型接着剤が用いられる場合が多い。この種の接着剤は硬化までに長時間を要するのが普通である。一方、フレーム付き膜電極接合体は連続的に製造することが可能であるとしても、接着剤の硬化を待って次の製造に移るのでは、連続生産のメリットは生かされない。そのために、前記したように、接着剤が未硬化の状態でフレーム付き膜電極接合体をその製造場所から加熱室に移動し、そこで多数個のフレーム付き膜電極接合体の接着剤をまとめて熱硬化させることが望まれる。しかし、接着剤が未硬化状態で移動させるとフレームと膜電極接合体との間に位置ズレが生じる恐れがあり、移動作業に慎重さが求められる。

その移動作業を容易にするために、本発明によるフレーム付き膜電極接合体の一態様では、一対のフレームにおけるフレームの合わせ面には互いに係合し得る少なくとも１箇所の凹凸形状が形成される。このような凹凸形状をフレームに形成することにより、一方のフレームのみに不用意な力が作用したときでも、フレーム同士が位置ズレを起こすことを回避することができ、接着剤未硬化の状態でフレーム付き膜電極接合体を安定して所要場所に移動搬送することができる。凹凸形状は相対移動が阻止できるもので有れば任意であり、一方にピン状突起を設け、他方にピンが入り込む孔を形成する態様、一方に凸部を設け、他方に凸部が入り込む凹部を設ける態様、一方の周辺部に突起を設け、他方の周辺部に該突起の入り込む切り欠きを形成する態様、など任意である。１つの態様であってもよく、２つ以上の態様を組み合わせてもよい。

フレーム付き膜電極接合体は薄手のものであり、ストック時には多段に積層されているのが普通である。位置合わせ時の移動や搬送時には、適宜の操作具をフレームの側面の所定位置に当接させてフレーム付き膜電極接合体を把持したり、移動することが行われる。前記したように、２枚のフレームを重ね合わせている形態の場合、操作具の先端がいずれか一方のフレームにのみ当接する場合に、接着剤が未硬化状態では、２枚のフレームに位置ズレが生じる恐れがある。また、その部分に接着剤のはみ出しがあった場合には、操作具の先端に接着剤が付着して、円滑な作業ができなくなる。

そのために、本発明によるフレーム付き膜電極接合体の一態様では、一対のフレームにおける一方のフレームの周辺部には切り欠きが形成されており、他方のフレームの該切り欠きに対向する部分はその切り欠きに入り込む肉厚部とされていることを特徴とする。操作具の先端が当接する場所にこのような肉厚部を設けておくことにより、操作具に起因して２枚のフレームに位置ズレが生じるのを確実に回避することができると共に、その部分への接着剤のはみ出しはなくなることから、操作具による作業が支障をきたすことも回避できる。

加熱室などに搬送するときに、接着剤が未硬化の状態でフレーム付き膜電極接合体が多段に積み重ねられる場合が起こり得る。そのときに、上記したような肉厚部と切り欠き部との隙間から、接着剤が表面あるいは裏面側にはみ出ることがあると、上下のフレーム付き膜電極接合体どうしがひっつき合った状態となり好ましくない。そのために、前記切り欠き部と肉厚部との合わせ面に沿うようにして、その隙間から接着剤が外に出ないように接着剤溜まりとなる空所を形成することは、好ましい態様となる。空所としては、前記合わせ面における２枚のフレームの接合面側に隙間の広くなる領域を形成するようにしてもよく、フレームの表面側に同様に隙間の広くなる領域を形成してもよい。双方に設けてもよく、交互に設けてもよい。接着剤の塗布ムラなどに起因して押し出されようとする接着剤は形成される空所によって吸収され、フレームの表面あるいは裏面側にはみ出ることはなくなる。

前記しかつ図８に示しようように、フレーム付き膜電極接合体のフレームにマニホルド穴が形成される。その場合、２枚のフレームが積層された部分にマニホルド穴が形成されると、貼り合わせ用の接着剤が入り込んだり、２枚のフレームが位置ズレしたりして、マニホルド穴壁面に段差が生じて圧損が生じかねない。場合によっては２枚のフレームの接合面を通してマニホルド穴が外気に連通することも生じかねない。

それを回避するために、本発明によるフレーム付き膜電極接合体の一態様では、一対のフレームのうち、一方のフレームは、電解質膜が外側に延出した状態とされる対向する２辺に交差する他方の対向する２辺側の領域に厚さの厚くされた区域が形成されており、該厚さの厚くされた区域には少なくとも１つのマニホルド穴が形成されており、かつ、他方のフレームは前記厚さの厚くされた区域に対向する部分を欠如した形とされていることを特徴とする。

この構成とすることにより、上記した不都合は回避できることに加え、２枚のフレームの合わせ面が減少することから、接着剤の使用量を低減することもできる。また、この厚さの厚くされた区域の側面を上記した操作具の当接部とすることにより、上記した位置ズレや接着剤のはみ出しによる不都合も確実に回避することもできる。

上記の形態において、前記厚さの厚くされた区域の端面とそこに対向する他方のフレームの端面の合わせ面の隙間から、接着剤がはみ出る恐れがある。それを回避するために、前記した肉厚部と切り欠き部との間に設けたと同様な空所を、前記合わせ面の隙間に沿うようにして形成することが望ましい。空所の具体的な形状は、前記した肉厚部と切り欠き部との間に設けたと同様な空所の場合と同様であってよい。

本発明は、上記フレーム付き膜電極接合体とセパレータとを接着剤を介して積層して形成される燃料電池であって、フレームの対向する２辺から外側に延出している電解質膜部分に対向するセパレータの側辺は、該電解質膜部分よりも外側にまで達しており、かつ、該電解質膜部分は接着剤の中に埋設していてシール性が確保されていることを特徴とする燃料電池、をも開示する。この燃料電池では、フレーム付き膜電極接合体からは電解質膜は外側に延出しているが、その延出した部分はセパレータを接着積層するときに用いるシール機能を備えた接着剤中に埋設しているので、電解質膜端のシール性は確保される。

本発明によれば、フレーム付き膜電極接合体を連続して製造することが可能となる。また、セパレータとの位置合わせ作業や接着積層作業が容易となる。それにより、高い発電性能を持つ燃料電池を連続してかつ安価に生産することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施形態に基づき説明する。図１は本発明による製造方法を説明する図であり、図２はフレーム付き膜電極接合体の一例を示す図であり、図２ａは組み付け前の状態を、図２ｂは一体化した状態を示している。また、図３は図２に示す膜電極接合体を用いた燃料電池における図１でのＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面図である。さらに、図４はフレーム付き膜電極接合体の他の形態を示す図である。

図１において、１ｗａは、帯状の電解質膜１ｗに、長手方向では間隔ａ、幅方向（短手方向）では上下に間隔ｂをおいて、電極４を両面に形成した部材であり、一例として、図１０を用いたような装置と方法により形成される。電極４は、帯状の電解質膜１ｗに対して触媒層２と拡散層３とがこの順で積層されたものであり、所要の大きさの電解質膜１と両面の電極４、４とで膜電極接合体５を構成する。すなわち、部材１ｗａは、帯状の電解質膜１ｗを繋ぎ材として複数の膜電極接合体５が間隔ａをおいて連続して配置されているものであり、該部材１ｗａは図示しない送り装置により矢印Ａ方向に間欠的に送られる。

部材１ｗａの送り経路の途中に、適宜の上下の支持プレートを持つ圧接装置（不図示）が位置しており、支持プレートの間を前記部材１ｗａが間欠的に通過する。下支持プレートには下フレーム２０ａが載置され、上支持プレートにはフレーム２０ｂが配置される。２つのフレーム２０ａ，２０ｂは同じ形状であり、好ましくは樹脂材料の成形品であって、厚さは各０．７ｍｍ程度である。

図２に示すように、フレーム２０（２０ａ，２０ｂ）の中央には、電解質膜１上に積層された電極４が入り込む大きさの開口２１が形成される。フレーム２０の長手方向の幅Ｐは電解質膜１の横幅（短手方向幅）ｐ（図１）よりも大きい。フレーム２０の短手方向の幅Ｗは、電極４の横幅と前記間隔ａとを合わせた長さよりもやや短くされており、側辺４０の電解質膜１を挟持している部分では内側に幅ｐ１だけ入り込んでいる。すなわち、フレーム２０の短手方向の幅はそれが電解質膜１を挟持している部分では幅ｐ１×２だけ狭くなっている。

上下のフレーム２０ａ，２０ｂの、電解質膜１の横幅方向から外方に飛び出ている領域には、ガスや冷却水のためのマニホルド穴８（８ａ，８ｂ，８ｃ）が形成される。また、この例において、上フレーム２０ｂの表面には中央のマニホルド穴８ｂと開口２１を繋ぐ凹溝２２が形成されており、一方のマニホルド穴８ｂから流入するガスは凹溝２２を通って開口２１に至り、電極４面を通過して他方の凹溝２２に至り、そこから他方のマニホルド穴８ｂに流出する。下フレーム２０ａの表面にも同様な凹溝が他のマニホルド穴を開口２１に繋ぐようにして形成されている。

積層作業に当たり、各フレーム２０ａ，２０ｂの裏面に開口２１やマニホルド穴８のシール性が確保できる状態で熱硬化性接着剤２３が塗布され（図２に下フレーム２０ａの例が示される）、それが図示しない圧接装置の上下の支持プレートにそれぞれ置かれる。適宜の制御装置により、移送される部材１ｗａは、その電極４の部分がフレーム２０の開口２１の位置と一致した時に、移動を間欠的に停止する。そして、圧接装置が作動し、上下のフレーム２０ａ，２０ｂの間に膜電極接合体５を挟持するようにして全体を一体化する。それにより、電極４の周囲の電解質膜部分１ａはフレーム２０ａ，２０ｂで覆われ、電極４はフレーム２０の開口２１から露出した状態となったフレーム付き膜電極接合体５ａが形成される。

次に、上下の支持プレートは上下に離間し、再び支持プレート上に、接着剤２３を塗布したフレーム２０ａ，２０ｂが置かれる。その間に、部材１ｗａは移動し、次の電極４の部分が新たにセットされたフレーム２０の開口２１の位置と一致したときに、再び移動を間欠的に停止する。そして、前記と同様にして、上下のフレーム２０ａ，２０ｂの間に膜電極接合体５を挟持する操作が行われる。それにより、帯状の電解質膜１ｗを繋ぎ材としてフレーム付き膜電極接合体５ａが連続して形成される。

上記のようであり、図１に示すように、帯状の電解質膜１ｗ上で隣接するフレーム２０、２０の間にはわずかな隙間が存在している。そして、上下のフレーム２０ａ，２０ｂを接着接合してフレーム付き膜電極接合体５ａを形成した部材１ｗａは、次の工程で適宜の切断装置により、前記隙間部分を切断線ｋで切断される。それにより、帯状の電解質膜１ｗを繋ぎ材として連続しているフレーム付き膜電極接合体５ａは、個々に分断されバッチ化される。図２ｂによく示すように、バッチ化されたフレーム付き膜電極接合体５ａは、フレーム２０の電解質膜１の短手方向に沿った対向する２の側辺４０から電解質膜１ａが外側に延出した状態となっている。

このようにしてバッチ化されたフレーム付き膜電極接合体５ａは、好ましくは、適宜の操作具により複数個が段積みされ、その状態で接着剤の硬化のために加熱室に送られる。この作業は膜電極接合体５ａがフレーム２０を備えていることにより容易に行うことができる。所要時間の加熱が進行して接着剤が硬化したフレーム付き膜電極接合体５ａは、加熱室から取り出され、次のセパレータ７の接着積層工程に送られる。

作業に当たり、ロボットのような操作具は、段積みされたフレーム付き膜電極接合体５ａの１つを取り出し、周囲に接着剤２４を塗布したセパレータ７に対して位置決めした状態とする。この作業も膜電極接合体５がフレーム２０を備えていることにより容易に行うことができる。そして、図１に示すように、上下のセパレータ７ａ．７ｂを別個に、あるいは同時に圧着することにより、本発明でいう燃料電池１０とされる。

セパレータ７の長手方向の寸法はフレーム２０の長手方向の寸法Ｐと同じであり、フレーム２０のマニホルド穴８に対向する位置には、同様にマニホルド穴８１（８１ａ，８１ｂ，８１ｃ）が形成されている。セパレータ７の短手方向の寸法はフレーム２０の短手方向の幅Ｗと等しい。前記したように、フレーム２０の電解質膜１を挟持している領域では側辺４０が内側に幅ｐ１だけ入り込んでいるが、セパレータ７の対応する側辺は直線状であり、そのような凹部はない。そのために、図３に図１でのＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図を示すように、フレーム付き膜電極接合体５ａにおける前記２つの側辺４０から外側にはみ出ている電解質膜１ａ部分は、上下のセパレータ７ａ、７ｂ内に入り込んだ状態となり、かつ、接着剤２４の中に埋設した状態となる。

上記のように、本発明によれば、バッチ化された膜電極接合体５ａはフレーム２０を備えることにより、事後に必要となる移送や位置決めの操作をロボットの操作具などを利用して容易かつ確実に行うことができる。それにより、生産性は向上し燃料電池としての製造コストは低減する。また、フレーム付き膜電極接合体５ａの対向する２つの側辺４０から飛び出ている電解質膜部分１ａは、セパレータ７を接着積層するときに接着剤２４の中に埋め込まれるので、電解質膜端のガスシールも完全となり、従来品と同等の性能を持つ燃料電池が得られる。

上記のように、本発明によるフレーム付き膜電極接合体５ａは、フレーム２０の特徴を効果的に利用して電池の生産性を向上させている。その過程で、ロボットなど適宜の装置の操作具でもってフレーム２０の特定箇所を把持したり、操作具先端でフレーム２０の特定箇所を押し出したりすることが行われる。また、バッチ化したフレーム付き膜電極接合体５ａを多段に積み重ねることも行われる。そのような工程を円滑に進めるには、熱硬化性接着剤２３が未硬化のときに操作具により把持されたり、押しだし操作を受けときでも、積層した上下のフレーム２０ａ，２０ｂに位置ズレが生じないこと、また、接着接合に用いた接着剤２３がフレーム２０の外周や表裏面にはみ出ないことが望ましい。図４は、そのための手段を講じたフレーム２０を持つフレーム付き膜電極接合体５ａの２つの例を示しており、図４ａは組み付け前の状態を、図４ｂは一体化した状態を示している。

図４で左側に示す例は、フレーム２０ａ，２０ｂの合わせ面に形成する互いに係合し得る凹凸形状の一例として、下フレーム２０ａに上フレーム２０ｂの厚み分の高さを持つ突起２５を設け、上フレーム２０ａの対向する位置には孔２６を設けている。この例では、接着剤２３が未硬化の状態で操作具がフレーム付き膜電極接合体５ａを移動しようとする場合に、操作具が上下のフレーム２０ａ，２０ｂのいずれか一方にのみ当接してその移動を行っても、積層した上下のフレーム２０ａ，２０ｂに位置ズレが生じるのを阻止することができ、加熱室への移動を早い時点で行うことができる。

図４で右側に示す例は、上フレーム２０ｂにおけるマニホルド穴８近辺の周辺部に切り欠き２７が形成されており、下フレーム２０ａの該切り欠き２７に対向する部分には切り欠き２７に入り込む大きさの肉厚部２８とされている。この例では、前記肉厚部２８が操作具の当接部となるように操作具とフレーム付き膜電極接合体５ａとの位置決めを行い、フレーム付き膜電極接合体５ａの移動や把持を行うようにすることにより、上下のフレーム２０ａ，２０ｂに不要な位置ズレが生じるのを阻止することができる。また、接着剤の塗布ムラに起因して、接着剤が周辺部ににじみ出ることがあるが、少なくとも前記肉厚部２８の部分では接着剤が周辺部ににじみ出るのを阻止することができるので、操作具の先端に接着剤が付着するのを阻止することができ、操作具の作業が不正確になるのを回避できる。

図５はフレーム付き膜電極接合体５ａのさらに他の例を示す。ここでも、図５ａは組み付け前の状態を示し、図５ｂは一体化した状態を示している。この例において、下フレーム２０ａは、電解質膜１が外側に延出した状態とされる対向する２辺に交差する他方の対向する２辺４１、４１側、すなわち、帯状の電解質膜１ｗの横幅から外に出ている領域に厚さの厚くされた区域４２、４２が形成されており、該厚さの厚くされた区域４２にマニホルド穴８が形成されている。一方、上フレーム２０ｂは前記厚さの厚くされた区域４２に対向する部分４３を欠如した形とされている。

この形態のフレーム付き膜電極接合体５ａでは、マニホルド穴８は一枚の板材（下フレーム２０ａ）に形成されるので、上記の例のように２枚のフレームが積層された部分にマニホルド穴８が形成されるもののように、貼り合わせ用の接着剤が入り込んだり、２枚のフレームが位置ズレしたりして、マニホルド穴８の壁面に段差が生じて圧損が生じるようなことは回避できる。また、２枚のフレームの合わせ面が減少することから、接着剤の使用量を低減することもできる。さらに、この厚さの厚くされた区域４２の側面を上記した操作具の当接部とすることにより、上記した位置ズレや接着剤のはみ出しによる不都合も確実に回避することもできる。

図４に示した形態での切り欠き部２７と肉厚部２８との当接面２９、あるいは、図５に示した形態での下フレーム２０ａでの厚さの厚くされた区域４２の側壁と上フレーム２０ｂの欠如された部分４３の側壁との当接面４４には、わずかな隙間４５が生じる。接着剤の塗布ムラにより、上記したような隙間４５から接着剤が表面あるいは裏面側にはみ出ることがあると、接着剤が未硬化の状態でフレーム付き膜電極接合体５ａどうしを多段に積層したときに、相互にひっつき合う状態となり好ましくない。そのために、そのような隙間４５から接着剤が外に出ないように、接着剤溜まりとなる空所４６形成することは、好ましい。

図６はそのような接着剤溜まりのいくつかの例を図５でのＶＩ−ＶＩ線での断面を例に取り示しており、図６ａでは、前記隙間４５における上フレーム２０ａと下フレーム２０ｂの合わせ面における上フレーム２０ｂの下端部に切り込みを形成して空所４６を形成しており、図６ｂでは下フレーム２０ａのコーナー部に凹溝を形成して空所４５としている。図６ｃでは、表面側にＲ部を形成した空所４６としている。いずれの場合にも、表面に飛び出ようとする余分な接着剤は空所４６に受け入れられることとなり、接着剤が表面側にしみ出るとはない。そのために接着剤２３が未乾燥のままでフレーム付き膜電極接合体５ａを多段に積み重ねることが可能となり、作業性の向上を図ることができる。

本発明による膜電極接合体とそれを用いた燃料電池の製造方法を説明する図。 本発明によるフレーム付き膜電極接合体の一例を示す図。 図２に示す膜電極接合体を用いた燃料電池における図１でのＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面図。 フレーム付き膜電極接合体の他の形態を示す図。 フレーム付き膜電極接合体のさらに他の形態を示す図。 接着剤溜まりとしての空所を説明する図。 燃料電池（単電池）とスタックを説明する図。 従来のフレーム付き膜電極接合体を説明する図。 図８に示す形態のフレーム付き膜電極接合体を示す断面図。 膜電極接合体を連続的に形成する装置の一例を示す図。

符号の説明

１ｗ…帯状の電解質膜、１ｗａ…帯状の電解質膜に電極を積層した部材、１…電解質膜、１ａ…フレームから延出している電解質膜部分、２…触媒層、３…拡散層、４…電極、５…膜電極接合体、５ａ…フレーム付き膜電極接合体、８、８１…マニホルド穴、１０…燃料電池２０…フレーム、２１…電極が入り込む大きさの開口、２３…接着剤、２５…突起、２６…孔、２７…切り欠き、２８…肉厚部、４２…厚さの厚くされた区域、４５…隙間、４６…隙間に形成する接着剤溜まりとしての空所

Claims (9)

1. 帯状の電解質膜上に触媒層と拡散層とがこの順で積層した電極を所定間隔で形成して当該帯状の電解質膜の長手方向に膜電極積層体を所定の間隔で連続的に形成する工程、
   形成された膜電極積層体の電極周囲の電解質膜部分を覆うようにしてフレームを配置し隣接するフレームとの間に電解質膜が露出するようにして当該フレームを前記電解質膜部分に接着剤を介して積層してフレーム付き膜電極接合体とする工程、
   フレームとフレームとの間に露出する電解質膜を切断してフレームの対向する２辺から電解質膜が外側に延出した状態のフレーム付きの膜電極接合体を個々に分離する工程、
   とを少なくとも有することを特徴とするフレーム付き膜電極接合体の製造方法。
2. 請求項１に記載の方法により製造されたフレーム付き膜電極接合体に対して、当該フレームの対向する２辺から外側に延出している電解質膜部分の全部を覆うことのできる大きさのセパレータを、該電解質膜部分が接着剤の中に埋設するようにして、接着剤により積層一体化することを特徴とする燃料電池の製造方法。
3. 電解質膜の両面に触媒層と拡散層とがこの順で積層された電極を備えた膜電極積層体と、該膜電極積層体の電極の周囲に張り出している電解質膜部分を両面から接着剤を介して挟持する一対のフレームとを備えた膜電極積層体であって、フレームの対向する２辺からは電解質膜が外側に延出した状態とされていることを特徴とするフレーム付き膜電極接合体。
4. 一対のフレームにおけるフレームの合わせ面には、互いに係合し得る少なくとも１箇所の凹凸形状が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のフレーム付き膜電極接合体。
5. 一対のフレームにおける一方のフレームの周辺部には切り欠きが形成されており、他方のフレームの該切り欠きに対向する部分はその切り欠きに入り込む肉厚部とされていることを特徴とする請求項３または４に記載のフレーム付き膜電極接合体。
6. 前記切り欠き部と肉厚部との合わせ面に沿うようにして、その隙間から接着剤が外に出ないように接着剤溜まりとなる空所が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のフレーム付き膜電極接合体。
7. 一対のフレームのうち、一方のフレームは電解質膜が外側に延出した状態とされる対向する２辺に交差する他方の対向する２辺側の領域に厚さの厚くされた区域が形成されており、該厚さの厚くされた区域には少なくとも１つのマニホルド穴が形成されており、かつ、他方のフレームは前記厚さの厚くされた区域に対向する部分を欠如した形とされていることを特徴とする請求項３に記載のフレーム付き膜電極接合体。
8. 前記厚さの厚くされた区域の端面とそこに対向する他方のフレームの端面の合わせ面に沿うようにして、その隙間から接着剤が外に出ないように接着剤溜まりとなる空所が形成されていることを特徴とする請求項７に記載のフレーム付き膜電極接合体。
9. 請求項３から８のいずれかに記載のフレーム付き膜電極接合体とセパレータとを接着剤を介して積層して形成される燃料電池であって、フレームの対向する２辺から外側に延出している電解質膜部分に対向するセパレータの側辺は、該電解質膜部分よりも外側にまで達しており、かつ、該電解質膜部分は接着剤の中に埋設していてシール性が確保されていることを特徴とする燃料電池。

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