JP2019129064A - 電解質膜−電極−枠接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜−電極接合体の収縮によって電解質膜−電極−枠接合体の枠が変形したり電解質膜が損傷したりするのを抑制する。【解決手段】狭持工程、押圧工程、固定工程、加熱工程を、この順に有し、加熱工程で、第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分（電解質膜−電極接合体１３の外周部の一部）が、電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位しないように、且つ、加熱工程後に電解質膜−電極接合体１３に弛みが残らないように、押圧工程では、電極（触媒層３）と接触した押圧面（吸着治具１０の吸着面）を電解質膜−電極接合体１３の厚み方向の第２の枠５５側に所定距離だけ移動させる。つまり、電解質膜−電極接合体１３において、加熱工程によって後に収縮する寸法分だけ予め弛ませた状態で、電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定する。【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる、電解質膜の両主面に電極が配置された電解質膜−電極接合体の外周部を、枠で挟持した電解質膜−電極−枠接合体の製造方法に関するものである。

近年、クリーンで効率的なエネルギー源として燃料電池が期待されている。固体高分子型の燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜の両主面に電極が配置されて発電反応を起こす電解質膜−電極接合体をセパレータで挟んだものを、一つの単セルモジュールとして必要な個数のモジュールを積み上げ構成されている。

電解質膜は、通常、樹脂製の枠に固定されている。この枠により、セパレータで挟み組み立てる際のハンドリング性向上や、非発電部の電解質材料の使用量を削減することができる。

燃料電池を動作させるためには、電解質膜の両面に形成した電極の一方に燃料ガス（水素ガス）を供給し、他方に酸化剤ガス（酸素を含んだ空気）を供給しなければならず、一方のガスが他方に流入すると、正常な電気化学反応が行われず、充分な発電特性を得ることができない。そのため、電解質膜の枠との固定部において、ガスシール性を有していなければならない。

従来の電解質膜の枠への固定方法としては、超音波を用いて樹脂製の枠に電解質膜を溶着しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

以下、特許文献１に開示された従来の燃料電池の電解質膜−電極接合体について、説明する。

図５は、特許文献１に開示された従来の燃料電池の電解質膜−電極−枠接合体をセパレータで挟み込んだ、単セルモジュールの断面図である。図６は、同従来の燃料電池の電解質膜−電極−枠接合体の平面図である。

図５に示すように、従来の燃料電池の電解質膜−電極−枠接合体１１は、両主面の略中央部に矩形の触媒層３が配置された矩形の電解質膜２の周縁部を、第１の枠５１と第２の枠５２とで挟み込んだものである。

第１の枠５１は、内径が触媒層３の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極−枠接合体１１の外径よりも大きい額縁形状の樹脂製であり、第２の枠５２は、内径が触媒層３の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極−枠接合体１１の外径よりも大きく且つ第１の枠５１の外径よりも小さい額縁形状の樹脂製である。

また、第１の枠５１における第２の枠５２とで電解質膜２を挟む面は、第１の枠５１における第２の枠５２よりも外周側に位置する部分よりも厚みが、第２の枠５２の厚みと電解質膜２の厚みとの合計の厚みだけ薄くなっている。

そして、電解質膜２を介して、第１の枠５１と第２の枠５２とを、第２の枠５２側からの超音波溶着法による溶着部８で接合した後に、第１の枠５１と第２の枠５２との境界部及び溶着部８を、第２の枠５２の外側から、第３の枠５３で覆っている。

なお、電解質膜２を介して、第１の枠５１と第２の枠５２とを、第２の枠５２側からの超音波溶着法による溶着部８で接合した時に、第１の枠５１における第３の枠５３で覆われる面と、第２の枠５２における第３の枠５３で覆われる面とが、略同一面上に位置するように、第１の枠５１と第２の枠５２とを構成している。

電解質膜−電極−枠接合体１１の両面には、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒層３に均一に行き渡らせるための第１の枠５１と第２の枠５２の開口部（の内径）よりも大きい矩形のガス拡散層４が、第１の枠５１と第２の枠５２の開口部から露出する触媒層３を外側から覆い隠すように配置されている。

そして、電解質膜−電極−枠接合体１１と対向する面に、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れガス拡散層４と対向する溝状のガス流路６１と、ガス拡散層４を囲み第１の枠５１または第２の枠５２と当接する環状のシール部材７とを有する一対のセパレータ６で、電解質膜−電極−枠接合体１１を挟み込むことで、単セルモジュール１を構成している。

ガス拡散層４の周縁部は、第１の枠５１及び第２の枠５２の開口部に乗り上げ、セパレータ６と電解質膜−電極−枠接合体１１との空間を埋めている。

第１の枠５１及び第２の枠５２とセパレータ６との間に空間（隙間）がある場合には、燃料ガス及び酸化剤ガスが、ガス流路６１を通過せずに、第１の枠５１及び第２の枠５２とセパレータ６との間の空間を通過してしまい、触媒層３を有して発電に寄与する発電領域１２に燃料ガス及び酸化剤ガスが行き渡らず、充分な発電性能を得ることができない。

第１の枠５１及び第２の枠５２とセパレータ６との間に、隙間ができないようにガス拡散層４を充填することで、燃料ガス及び酸化剤ガスが、ガス流路６１を通過することになり、所定の発電性能を得ることができる。

また、ガス拡散層４における、第１の枠５１及び第２の枠５２とセパレータ６との間に位置する領域の厚みを、第１の枠５１及び第２の枠５２とセパレータ６の間隔より厚くしておくことで、電解質膜−電極−枠接合体１１をセパレータ６で挟持する際に、ガス拡散層４が圧縮されて、第１の枠５１及び第２の枠５２を電解質膜２に密着させることができる。

また、第１の枠５１及び第２の枠５２を電解質膜２に密着させることで、電解質膜２と第１の枠５１及び電解質膜２と第２の枠５２の間に、燃料ガス及び酸化剤ガスが侵入する可能性を低減でき、ガスバリア性を向上できると共に、電解質膜２が燃料ガス及び酸化剤ガスにより劣化することが抑制でき、燃料電池の性能を長期に確保することができる。

触媒層３は、電解質膜２の両主面に周縁部を除き均一に形成されている。触媒層３の周縁部には、第１の枠５１及び第２の枠５２の開口部の縁が覆い被さっている。こうすることで、電解質膜２の触媒層３が形成されていない領域に、酸化剤ガスが暴露することを低減することができ、酸化剤ガスによる電解質膜２の劣化を抑制することが可能となる。

単セルモジュール１を形成した際に、セパレータ６に設けられたシール部材７は、電解質膜−電極−枠接合体１１に形成された溶着部８よりも発電領域側（内周側）に配置され且つ触媒層３の領域よりも外周側に配置されている。

単セルモジュール１とした際に、セパレータ６に設けられたシール部材７は、第１の枠５１及び第２の枠５２と当接し、圧縮される。圧縮によりシール部材７の反力が発生し、
シール部材７と第１の枠５１及び第２の枠５２、第１の枠５１及び第２の枠５２と電解質膜２の間の密着度が向上し、ガスバリア性を確保することができる。

触媒層３は、燃料ガス及び酸化剤ガスが拡散し、発電反応を起こすために、多孔質構造となっている。そのため、第１の枠５１及び第２の枠５２におけるシール部材７と当接する部分であるシール部材当接触部７１と、触媒層３とが重なった場合に、シール部材７の反力だけでは触媒層３の多孔質部を遮蔽することができず、ガスリークの原因となる。

第１の枠５１と当接するシール部材７及び第２の枠５２と当接するシール部材７は、電解質膜−電極−枠接合体１１を挟んで、向かい合う位置に配置し、両極に設けられたシール部材７は共に、触媒層３と重ならない配置になっているが、少なくとも一方のシール部材７が触媒層３にかかっていなければ、触媒層３にかからないシール部材７側で充分なガスバリア性を確保できる。

両側のシール部材７を互いに向かい合う位置に配置した場合は、電解質膜−電極−枠接合体１１にかかるシール部材７の反力が対向し、電解質膜−電極−枠接合体１１に応力を与えることがなく、両極においてシール部材７が触媒層３にかからなければ、よりガスバリア性を確保できてよい。

溶着部８よりも発電領域１２側（電解質膜−電極−枠接合体１１の内周側）にシール部材７と当接するシール部材当接触部７１を配置することで、溶着部８を形成する際の、超音波溶着時の熱及び振動による電解質膜２の変形部が燃料ガス、酸化剤ガスや水分に晒されることを抑制することができ、ガスリーク低減することができ、燃料電池の発電性能を維持することができる。

また、水分を吸収することによる膨潤収縮を低減することができ、機械的応力の集中を防ぎ、電解質膜構造が壊れることを抑止することができ、燃料電池性能を長期に維持することができる。

図６に示すように、電解質膜−電極−枠接合体１１は、矩形の電解質膜２の四辺を囲うように、第１の枠５１、第２の枠５２、第３の枠５３を備えており、電解質膜２の電解質膜端部２１の近傍に、所定の溶着部間隔８２で溶着部８が設けられている。

第１の枠５１には、中心部に発電領域１２となる開口が設けられている。第１の枠５１と第２の枠５２に設けた開口は同じ大きさであるので、発電領域１２に用いることのできる領域が大きくなり、電解質膜２の利用率がよい。

電解質膜２は、発電領域１２よりも大きく、且つ第１の枠５１と第２の枠５２で挟持した際に、第１の枠５１及び第２の枠５２の外周側にはみ出さない大きさである。

第１の枠５１ないし第３の枠５３は、燃料電池の発電反応に必要な燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給する貫通孔であるマニホールド９を具備している。

シール部材当接触部７１が、発電領域１２の全領域及びマニホールド９を囲うように、セパレータ６における電解質膜−電極−枠接合体１１と対向する面にシール部材７を配置している。

電解質膜−電極−枠接合体１１は、電解質膜２を介しての第１の枠５１と第２の枠５２の溶着部８の形成を超音波溶着により行っている。第２の枠５２にも、中心部に発電領域１２となる開口が設けられている。

超音波溶着を用いた電解質膜２を介しての第１の枠５１と第２の枠５２の溶着部８の形成において、第１の枠５１の材料と第２の枠５２の材料と電解質膜２の材料とが混在する溶着部８を形成することができる。

第１の枠５１の材料と第２の枠５２の材料と電解質膜２の材料とが混在する溶着部８を形成することで、第１の枠５１および第２の枠５２と電解質膜２の固定性をより向上することができ、乾湿寸法変化による電解質膜２への応力の集中を避けることができ、電解質膜２の長期耐久性を向上することができる。

第３の枠５３は、第１の枠５１と第２の枠５２の境界及び溶着部８の加工痕を覆っている。

図７は、従来の燃料電池の電解質膜−電極−枠接合体１１の組立工程を示す説明図である。

まず、第１の枠５１と第２の枠５２を射出成形により作製し、触媒層３を両主面の略中央部に塗布により形成した電解質膜２を、第１の枠５１の開口部の上に載置した後に、第２の枠５２を電解質膜２の周縁部の上に配置する。

次に、第２の枠５２の外側から超音波ホーン８１を所定の位置に当接させ、溶着部８を形成する。次に、第１の枠５１及び第２の枠５２と一体化した電解質膜２を、射出成型機の金型に配置し、第３の枠５３を射出成型により形成する。

溶着部８は、超音波接合を用いてスポット状に形成される。スポット状の溶着部８とした場合は、電解質膜−電極−枠接合体１１の組立時間が短くなり、生産性を向上することができる。

第２の枠５２に当接させる超音波加工工具は、先端がφ０．５ｍｍのものを用いた。第１の枠５１及び第２の枠５２を超音波接合する際の、接合加工条件としては、精電舎工業社製の超音波接合機（ΣＧ６２０Ｓ）で、２８．５ｋＨｚの振動数で、振幅は４０μｍ、加圧力３０Ｎで、０．２５秒の加工時間である。

溶着部８とシール部材７の間隔は約２ｍｍとした。溶着部８とシール部材７の間隔をより狭小にすることで、発電に寄与しない領域の電解質膜量を削減できるが、超音波接合時の熱や振動により、加工部の周囲の電解質膜２を変形させるため、電解質膜２の変形した領域がシール部材７より発電面に対して内側に来ないように配置する。

第３の枠５３は、第１の枠５１と第２の枠５２の境界面を覆うと共に溶着部８の加工痕を覆うように形成している。このように形成した場合は、電解質膜−電極−枠接合体１１の剛性がより向上し、ハンドリング性などが良くなる。

図８は、従来の燃料電池の電解質膜−電極−枠接合体１１の組立工程での電解質膜２の加熱乾燥による収縮の影響を説明するための説明図である。

図８の（ａ）は、従来の燃料電池の電解質膜−電極−枠接合体１１の加熱乾燥前の平面図であり、図８の（ｂ）は、電解質膜２の両主面に触媒層３を塗布形成した電解質膜−電極接合体１３の中央部を、第１の枠５１および第２の枠５２の開口部の内径よりも小さい外径を有する吸着治具１０に、吸着により固定させて、電解質膜−電極接合体１３の周縁部を第１の枠５１および第２の枠５２とで挟む狭持工程が済んだ状態の（ａ）のＡ−Ａ線
断面と（ａ）のＢ−Ｂ線断面を示す概略断面図である。

図８の（ｃ）は、狭持工程の後で、電解質膜２を介して、第１の枠５１と第２の枠５２とを、第２の枠５２側からの超音波溶着法による溶着部８で接合して、固定部分が電解質膜−電極接合体１３の周方向に点在するように電解質膜−電極接合体１３の外周部（周縁部）を第１の枠５１と第２の枠５２とに固定する固定工程が済んだ状態の（ａ）のＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。

図８の（ｄ）は、固定工程で仮固定した電解質膜−電極−枠接合体１１を、吸着治具１０から分離した状態の（ａ）のＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。

図８の（ｅ）は、溶着工程で仮固定した電解質膜−電極−枠接合体１１を、加熱乾燥させる加熱工程が済んだ状態の（ａ）のＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。また、図８の（ｆ）は、固定工程で仮固定した電解質膜−電極−枠接合体１１を、加熱乾燥させる加熱工程が済んだ状態の（ａ）のＢ−Ｂ線断面を示す概略断面図である。

特許第５５７５３４５号公報

従来の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法では、特に、高効率化のために膜厚が薄くプロトンの移動が容易な含水率の高い電解質膜２の両主面に触媒層３を塗布形成した電解質膜−電極接合体１３を用いる場合は、電解質膜−電極接合体１３の周縁部を第１の枠５１および第２の枠５２とで挟み（図８の（ｂ））、電解質膜−電極接合体１３の周縁部を第１の枠５１および第２の枠５２に溶着部８で仮固定（図８の（ｃ））した後に、射出成型機の金型に配置して、シール性向上のために第１の枠５１と第２の枠５２の境界及び溶着部８の加工痕を覆う第３の枠５３を射出成型により形成すると、金型の熱により電解質膜−電極−枠接合体１１（特に、電解質膜２）が乾燥により収縮する。

このとき、電解質膜−電極接合体１３が溶着部８で仮固定されていない箇所では、第１の枠５１と第２の枠５２をそのまま残して、図８の（ｆ）の矢印ｃに示す寸法分だけ電解質膜−電極接合体１３だけが収縮する。

そして、電解質膜−電極接合体１３が溶着部８で仮固定されている箇所では、溶着部８が抵抗になって電解質膜−電極接合体１３が収縮する寸法は図８の（ｅ）の矢印ａに示す寸法分だけに抑えられるが、電解質膜−電極接合体１３が収縮する時に溶着部８を介して第１の枠５１と第２の枠５２を内周側に引っ張る力が掛かり、図８の（ｅ）の矢印ｂに示す寸法分だけ電解質膜−電極−枠接合体１１が変形してしまう。

この変形した電解質膜−電極−枠接合体１１が、金型内でずれ、金型で電解質膜−電極−枠接合体１１のずれた部分をつぶしてしまい、電解質膜−電極接合体１３の一部に過大な荷重がかかり、電解質膜−電極接合体１３の寿命が低下する可能性がある。

本発明は、従来技術の課題に鑑み、電解質膜−電極接合体の外周部を枠に固定した後、枠と電解質膜−電極接合体の少なくともいずれか一つに熱を加える製造方法であっても、電解質膜−電極−枠接合体が変形しにくい電解質膜−電極−枠接合体の製造方法を提供することを目的としている。

この目的を達成するために、本発明の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法は、電解質膜と電解質膜を挟んで両主面に配置される電極とを有する電解質膜−電極接合体の外周部を、電解質膜−電極接合体の電極が露出するように、内径が電解質膜−電極接合体の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極接合体の外径よりも大きい額縁形状の第１の枠と第２の枠とで挟持した燃料電池用の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法であって、電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とで挟む狭持工程と、狭持工程後に、第１の枠の開口部に露出する電解質膜−電極接合体の電極を電極に略平行な押圧面で第１の枠側から第２の枠側に押す押圧工程と、押圧工程後に、固定部分が電解質膜−電極接合体の周方向に点在するように電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定する固定工程と、固定工程後に、第１の枠と第２の枠と電解質膜−電極接合体の少なくともいずれか一つに熱を加える加熱工程と、を有し、加熱工程で、第１の枠と第２の枠とで挟まれ第１の枠と第２の枠とに固定されていない部分が、電解質膜−電極接合体の中央側に変位しないように、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体に弛みが残らないように、押圧工程では、電極と接触した押圧面を電解質膜−電極接合体の厚み方向の第２の枠側に所定距離だけ移動させるのである。

また、別の本発明の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法は、電解質膜と電解質膜を挟んで両主面に配置される電極とを有する電解質膜−電極接合体の外周部を、電解質膜−電極接合体の電極が露出するように、内径が電解質膜−電極接合体の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極接合体の外径よりも大きい額縁形状の第１の枠と第２の枠とで挟持した燃料電池用の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法であって、電解質膜−電極接合体の電極を平坦な吸着面で吸着する吸着治具が第１の枠の開口部内に収まり第１の枠の上面が吸着面よりも低い位置で吸着面と略平行になるように第１の枠を吸着治具の周囲に配置する配置工程と、配置工程後に、吸着治具の吸着面と第１の枠の上面の上に電解質膜−電極接合体を載置する載置工程と、吸着治具の吸着面で、電解質膜−電極接合体の電極を吸着する吸着工程と、吸着工程中に、電解質膜−電極接合体の外周部が第１の枠と第２の枠とで挟まれるように電解質膜−電極接合体の外周部に第２の枠を積層する積層工程と、積層工程後に、固定部分が電解質膜−電極接合体の周方向に点在するように電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定する固定工程と、固定工程後に、第１の枠と第２の枠と電解質膜−電極接合体の少なくともいずれか一つに熱を加える加熱工程と、を有し、加熱工程で、第１の枠と第２の枠とで挟まれ第１の枠と第２の枠とに固定されていない部分が、電解質膜−電極接合体の中央側に変位しないように、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体に弛みが残らないように、吸着面の高さを、配置工程で配置後の第１の枠の上面よりも所定高さだけ高くなるようにしたのである。

上記製造方法により、加熱工程で、第１の枠と第２の枠とで挟まれ第１の枠と第２の枠とに固定されていない部分が、電解質膜−電極接合体の中央側に変位せず、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体に弛みが残らない電解質膜−電極−枠接合体を得ることができる。

そして、電解質膜−電極−枠接合体が変形するのを抑制できるので、金型内で電解質膜−電極−枠接合体がずれ、金型で電解質膜−電極−枠接合体をつぶしてしまうことがなくなるため、電解質膜−電極接合体の寿命が低下しない電解質膜−電極−枠接合体の作製が可能となる。

本発明の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法によれば、電解質膜−電極−枠接合体が変形するのを抑制でき、金型内で電解質膜−電極−枠接合体がずれ、金型で電解質膜−電極−枠接合体をつぶしてしまうことがなくなるため、電解質膜−電極接合体の寿命が低下
しない電解質膜−電極−枠接合体の作製が可能となる。

本発明の実施の形態１の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法で電解質膜−電極−枠接合体の変形を抑制できることを説明するための説明図 本発明の実施の形態１の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法を示すフローチャート 本発明の実施の形態２の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法で電解質膜−電極−枠接合体の変形を抑制できることを説明するための説明図 本発明の実施の形態２の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法を示すフローチャート 特許文献１に開示された従来の燃料電池の膜電極接合体をセパレータで挟み込んだ、単セルモジュールの断面図 同従来の燃料電池の膜電極接合体の平面図 同従来の燃料電池の膜電極接合体の組立工程を示す説明図 従来の燃料電池の電解質膜−電極−枠接合体の組立工程での電解質膜の加熱乾燥による収縮の影響を説明するための説明図

第１の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで両主面に配置される電極とを有する電解質膜−電極接合体の外周部を、電解質膜−電極接合体の電極が露出するように、内径が電解質膜−電極接合体の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極接合体の外径よりも大きい額縁形状の第１の枠と第２の枠とで挟持した燃料電池用の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法であって、電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とで挟む狭持工程と、狭持工程後に、第１の枠の開口部に露出する電解質膜−電極接合体の電極を電極に略平行な押圧面で第１の枠側から第２の枠側に押す押圧工程と、押圧工程後に、固定部分が電解質膜−電極接合体の周方向に点在するように電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定する固定工程と、固定工程後に、第１の枠と第２の枠と電解質膜−電極接合体の少なくともいずれか一つに熱を加える加熱工程と、を有し、加熱工程で、第１の枠と第２の枠とで挟まれ第１の枠と第２の枠とに固定されていない部分が、電解質膜−電極接合体の中央側に変位しないように、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体に弛みが残らないように、押圧工程では、電極と接触した押圧面を電解質膜−電極接合体の厚み方向の第２の枠側に所定距離だけ移動させる、ことを特徴とする、電解質膜−電極−枠接合体の製造方法である。

上記製造方法は、電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とで挟む狭持工程の後で、電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定する固定工程の前に、第１の枠の開口部に露出する電解質膜−電極接合体の電極を電極に略平行な押圧面で第１の枠側から第２の枠側に押す押圧工程を有し、押圧工程において、電極と接触した押圧面を電解質膜−電極接合体の厚み方向の第２の枠側に所定距離だけ移動させるのであるが、この所定距離は、加熱工程で、第１の枠と第２の枠とで挟まれ第１の枠と第２の枠とに固定されていない部分が、電解質膜−電極接合体の中央側に変位しないように、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体に弛みが残らないように設定された距離である。

つまり、電解質膜−電極接合体において、加熱工程によって後に収縮する寸法分だけ予め弛ませた状態で、電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定するため、加熱工程で、第１の枠と第２の枠とで挟まれ第１の枠と第２の枠とに固定されていない部分が、電解質膜−電極接合体の中央側に変位せず、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体に弛みが残らない電解質膜−電極−枠接合体を得ることができる。

そして、加熱乾燥により収縮する電解質膜−電極接合体によって第１の枠と第２の枠とが開口部の内周側に引っ張られることを抑制できるため、電解質膜−電極−枠接合体が変形するのを抑制でき、金型内で電解質膜−電極−枠接合体がずれ、金型で電解質膜−電極−枠接合体をつぶしてしまうことがなくなり、電解質膜−電極接合体の寿命が低下しない電解質膜−電極−枠接合体の作製が可能となる。

第２の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで両主面に配置される電極とを有する電解質膜−電極接合体の外周部を、電解質膜−電極接合体の電極が露出するように、内径が電解質膜−電極接合体の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極接合体の外径よりも大きい額縁形状の第１の枠と第２の枠とで挟持した燃料電池用の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法であって、電解質膜−電極接合体の電極を平坦な吸着面で吸着する吸着治具が第１の枠の開口部内に収まり第１の枠の上面が吸着面よりも低い位置で吸着面と略平行になるように第１の枠を吸着治具の周囲に配置する配置工程と、配置工程後に、吸着治具の吸着面と第１の枠の上面の上に電解質膜−電極接合体を載置する載置工程と、吸着治具の吸着面で電解質膜−電極接合体の電極を吸着する吸着工程と、吸着工程中に、電解質膜−電極接合体の外周部が第１の枠と第２の枠とで挟まれるように電解質膜−電極接合体の外周部に第２の枠を積層する積層工程と、積層工程後に、固定部分が電解質膜−電極接合体の周方向に点在するように電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定する固定工程と、固定工程後に、第１の枠と第２の枠と電解質膜−電極接合体の少なくともいずれか一つに熱を加える加熱工程と、を有し、加熱工程で、第１の枠と第２の枠とで挟まれ第１の枠と第２の枠とに固定されていない部分が、電解質膜−電極接合体の中央側に変位しないように、且つ、加熱工程後に電解質膜−電極接合体に弛みが残らないように、吸着面の高さを、配置工程で配置後の第１の枠の上面よりも所定高さだけ高くなるようにした、ことを特徴とする、電解質膜−電極−枠接合体の製造方法である。

上記製造方法は、吸着治具が第１の枠の開口部内に収まり第１の枠の上面が吸着面よりも低い位置で吸着治具の吸着面と略平行になるように第１の枠を吸着治具の周囲に配置してから、吸着治具の吸着面と第１の枠の上面の上に電解質膜−電極接合体を載置し、電解質膜−電極接合体の外周部が第１の枠と第２の枠とで挟まれるように電解質膜−電極接合体の外周部に第２の枠を積層して、電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定するのであるが、第１の枠の上面を基準とする吸着面の高さは、加熱工程で、第１の枠と第２の枠とで挟まれ第１の枠と第２の枠とに固定されていない部分が、電解質膜−電極接合体の中央側に変位しないように、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体に弛みが残らないように設定された高さである。

つまり、電解質膜−電極接合体において、加熱工程によって後に収縮する寸法分だけ予め弛ませた状態で、電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定するため、加熱工程で、第１の枠と第２の枠とで挟まれ第１の枠と第２の枠とに固定されていない部分が、電解質膜−電極接合体の中央側に変位せず、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体に弛みが残らない電解質膜−電極−枠接合体を得ることができる。

そして、加熱乾燥により収縮する電解質膜−電極接合体によって第１の枠と第２の枠とが開口部の内周側に引っ張られることを抑制できるため、電解質膜−電極−枠接合体が変形するのを抑制でき、金型内で電解質膜−電極−枠接合体がずれ、金型で電解質膜−電極−枠接合体をつぶしてしまうことがなくなり、電解質膜−電極接合体の寿命が低下しない電解質膜−電極−枠接合体の作製が可能となる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、第１の枠と第２の枠の材料が熱可塑性樹脂であることを特徴とするものであり、第１の枠と第２の枠の溶着、例えば、超音波溶着により、電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定すること
ができる。

第４の発明は、特に、第３の発明において、固定工程では、第１の枠または第２の枠の外側から超音波ホーンを押し当てて電解質膜−電極接合体の外周部を第１の枠と第２の枠とに固定することを特徴とするものであり、超音波ホーンによる溶融接合界面のみが加熱され溶融溶着ができ、周囲への熱影響を最小限に抑えることができ、電解質膜−電極−枠接合体の信頼性（耐久性）を向上させることができる。

以下、本発明の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下、本発明の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法の実施の形態１を、従来例と異なる部分について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態において、従来例と同一構成については同一符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施の形態１の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法で電解質膜−電極−枠接合体の変形を抑制できることを説明するための説明図である。

本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法で製造される電解質膜−電極−枠接合体１４は、矩形の電解質膜−電極接合体１３の周縁部を、額縁形状に成形された熱可塑性樹脂製の第１の枠５４と第２の枠５５とで挟んで、第２の枠５５の外側から超音波ホーンを押し当てる超音波溶着法による溶着部８で電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定したものである。

電解質膜−電極接合体１３は、矩形の固体高分子からなる電解質膜２の両主面の略中央部に電解質膜２より小さい矩形の触媒層３が配置されたものである。

第１の枠５４と第２の枠５５は、電解質膜−電極接合体１３の触媒層３の大部分が露出するように、開口部の内径が電解質膜−電極接合体１３の触媒層３の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極接合体１３の外径よりも大きい額縁形状である。

図１の（ａ）は、本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の平面図である。図１の（ｂ）は、電解質膜−電極接合体１３の触媒層３を平坦な吸着面（押圧面）で吸着する吸着治具１０が第１の枠５４の開口部内に収まり第１の枠５４の上面が吸着面（押圧面）と略同一平面上に位置するように第１の枠５４を吸着治具１０の周囲に配置して、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と第１の枠５４の上面の上に電解質膜−電極接合体１３を載置しようとしている状態の（ａ）のＣ−Ｃ線断面と（ａ）のＤ−Ｄ線断面を示す概略断面図である。

図１の（ｃ）は、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と第１の枠５４の上面の上に電解質膜−電極接合体１３が載置され、吸着治具１０の吸着面（押圧面）が電解質膜−電極接合体１３を吸着している状態の（ａ）のＣ−Ｃ線断面と（ａ）のＤ−Ｄ線断面を示す概略断面図である。

図１の（ｄ）は、電解質膜−電極接合体１３の周縁部が熱可塑性樹脂製の第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれるように、電解質膜−電極接合体１３の周縁部の上に第２の枠５５を載置（積層）した状態の（ａ）のＣ−Ｃ線断面と（ａ）のＤ−Ｄ線断面を示す概略断面図である。

図１の（ｅ）は、第１の枠５４の開口部に露出する電解質膜−電極接合体１３の触媒層３を、触媒層３に略平行な吸着治具１０の吸着面（押圧面）で、第１の枠５４側から第２の枠５５側に押して、電解質膜−電極接合体１３の触媒層３と接触した吸着治具１０の吸着面（押圧面）を、電解質膜−電極接合体１３の厚み方向の第２の枠５５側に所定距離だけ移動させた状態の（ａ）のＣ−Ｃ線断面と（ａ）のＤ−Ｄ線断面を示す概略断面図である。

図１の（ｆ）は、第２の枠５５の外側から超音波ホーンを押し当てる超音波溶着法による溶着部８で電解質膜−電極接合体１３の外周部の複数箇所を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定して電解質膜−電極−枠接合体１４とした後に、吸着治具１０を下降させている状態の（ａ）のＣ−Ｃ線断面を示す概略断面図である。

図１の（ｇ）は、吸着治具１０の吸着面（押圧面）が電解質膜−電極接合体１３の触媒層３から離れたことにより、電解質膜−電極接合体１３における第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれていない部分（第１の枠５４と第２の枠５５の開口部に露出した部分）が弛んだ状態の（ａ）のＣ−Ｃ線断面を示す概略断面図である。

図１の（ｈ）は、加熱乾燥により電解質膜−電極接合体１３が収縮した状態の（ａ）のＣ−Ｃ線断面を示す概略断面図である。図１の（ｉ）は、加熱乾燥により電解質膜−電極接合体１３が収縮した状態の（ａ）のＤ−Ｄ線断面を示す概略断面図である。

図２は、本発明の実施の形態１の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法を示すフローチャートである。

以下、図１と図２を参照しながら、実施の形態１の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法を詳細に説明する。

ＳＴＥＰ１では、図１の（ｂ）に示すように、第１の枠５４を、吸着治具１０が第１の枠５４の開口部内に収まる（第１の枠５４が吸着治具１０の周囲を囲む）ように、且つ、第１の枠５４の上面が、吸着治具１０の上面を構成する吸着面（押圧面）と略同一平面上に位置するように、配置（セット）する。

また、電解質膜２は、電解質膜２の両主面に触媒層３が塗布により形成されて、所定の大きさ、寸法の矩形に切断されて、電解質膜−電極接合体１３となって、吸着治具１０の上方に搬送される。

ＳＴＥＰ２では、図１の（ｃ）に示すように、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と第１の枠５４の上面の上に電解質膜−電極接合体１３を載置する。

このとき、電解質膜−電極接合体１３の触媒層３の周縁が第１の枠５４の開口部の縁よりも内周側に入らないように位置合わせすると共に、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と電解質膜−電極接合体１３との間に空気溜まりができないように、また、電解質膜−電極接合体１３に皺ができないようにする。

なお、このとき、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と電解質膜−電極接合体１３との間に空気溜まりができないように、吸着治具１０は、電解質膜−電極接合体１３が吸着面に接触する前に、吸着面に開口した多数の孔から吸着面側の空気を吸引する吸引動作を開始しても構わない。

ＳＴＥＰ３で、吸着面に開口した多数の孔から吸着面側の空気を吸引する吸引動作を行
って、吸着治具１０の吸着面（押圧面）で電解質膜−電極接合体１３の電極部（第１の枠５４の開口部に露出する触媒層３）を吸着により固定してから、ＳＴＥＰ４で、図１の（ｄ）に示すように、電解質膜−電極接合体１３の周縁部が第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれるように、電解質膜−電極接合体１３の周縁部の上に第２の枠５５を正しい位置に載置（積層）する。

正しい位置に第２の枠５５が載置（積層）されたときは、電解質膜−電極接合体１３の触媒層３の周縁が第２の枠５５の開口部の縁よりも内周側に入らない。

また、電解質膜−電極接合体１３を吸着治具１０に吸着固定した状態で、電解質膜−電極接合体１３の周縁部の上に第２の枠５５を載置（積層）するので、第２の枠５５を載置（積層）する作業で、電解質膜−電極接合体１３の位置がずれたり、電解質膜−電極接合体１３がめくれたりする現象の発生を抑制することができる。

そして、第２の枠５５を正しい位置に載置（積層）した後で、電解質膜−電極接合体１３の周縁部が、所定の力で、第１の枠５４と第２の枠５５とによって挟持されるように、第１の枠５４と第２の枠５５とをクランプする。

次に、ＳＴＥＰ５で、図１の（ｅ）に示すように、第１の枠５４の開口部に露出する電解質膜−電極接合体１３の電極（第１の枠５４の開口部に露出する触媒層３）を電極（触媒層３）に略平行な吸着治具１０の吸着面（押圧面）で第１の枠５４側から第２の枠５５側に押す（吸着治具１０を第１の枠５４側から第２の枠５５側に向かう方向に所定距離だけ移動させる）。

このとき、吸着治具１０の移動（吸着治具１０の吸着面（押圧面）の電解質膜−電極接合体１３に対する押圧）により、電解質膜−電極接合体１３の周縁は黒矢印に示す距離だけ第１の枠５４の開口部の内周側に移動する。

次に、ＳＴＥＰ６で、第２の枠５５の外側から超音波ホーン８１を所定の位置に当接させ、電解質膜２を介して、第１の枠５４と第２の枠５５とを、第２の枠５５側からの超音波溶着法による溶着部８で接合して、固定部分が電解質膜−電極接合体１３の周方向に点在するように電解質膜−電極接合体１３の外周部（周縁部）を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定する。

次に、ＳＴＥＰ７で、図１の（ｆ）に示すように、吸着治具１０の吸着面（押圧面）での電解質膜−電極接合体１３の電極部（第１の枠５４の開口部に露出する触媒層３）の吸着を解除し、吸着治具１０を元の位置に戻す。

次に、ＳＴＥＰ８で、クランプを解除し、次のＳＴＥＰ９で、電解質膜−電極−枠接合体１４を吸着治具１０から取り出す。

このときの電解質膜−電極−枠接合体１４は、図１の（ｇ）に示すように、第１の枠５４と第２の枠５５の開口部に露出する部分の電解質膜−電極接合体１３に弛みがあるが、加熱、乾燥による収縮で、図１の（ｈ）及び（ｉ）に示すように、第１の枠５４と第２の枠５５の開口部に露出する部分の電解質膜−電極接合体１３の弛みは無くなる。

また、加熱、乾燥後においても、図１の（ｉ）に示すように、電解質膜−電極接合体１３の外周部における第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分が電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位していない。

なお、ＳＴＥＰ５で、吸着治具１０を第１の枠５４側から第２の枠５５側に向かう方向に所定距離だけ移動させるときの所定距離は、加熱乾燥工程で第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分（電解質膜−電極接合体１３の外周部の一部）が電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位しないように、且つ加熱乾燥工程後に電解質膜−電極接合体１３に弛みが残らないように設定してある。

この所定距離は、試行錯誤を重ねて導き出すことができるが、電解質膜−電極接合体１３（の電解質膜２）の膨潤率と寸法などを基に算出しても構わない。

本実施の形態では、電解質膜−電極接合体１３（の電解質膜２）を、第１の枠５４と第２の枠５５とに固定する溶着部８の形成を超音波溶着により行っている。

第１の枠５４と第２の枠５５と電解質膜２のそれぞれの材料が混在する溶着部８を形成することで、第１の枠５４および第２の枠５５と電解質膜２の固定性をより向上することができ、乾湿寸法変化による電解質膜２への応力の集中を避けることができ、電解質膜２の長期耐久性を向上することができる。

第１の枠５４と第２の枠５５とは、従来例の第１の枠５１と第２の枠５２と同様の形状にして、第１の枠５４と第２の枠５５との境界部及び溶着部８を、第２の枠５５の外側から、従来例の第３の枠５３と同様の形状の第３の枠で覆っても構わない。

この場合は、第３の枠を、第１の枠５４及び第２の枠５５と同一の樹脂材料で形成し、第１の枠５４及び第２の枠５５に、直接、第３の枠を射出成形すると、接合力が高まり、電解質膜−電極−枠接合体１４の一体性が向上し、ハンドリング性がよくなる。

溶着部８の形成においては、レーザを用いた溶融接合法を用いてもよい。レーザを用いた場合は、非接触で溶着部８を形成することが可能となり、第１の枠５４と第２の枠５５と電解質膜２のそれぞれの材料が混在する溶着部８に、電解質膜２の劣化の原因となるコンタミが混入することを防止でき、長期に性能を保証することが可能となる。

この場合のレーザ光は、少なくとも電解質膜２に吸収される波長のものを選択することが望ましく、第１の枠５４または第２の枠５５を透過し、電解質膜２に吸収される波長のレーザ光を用いることがより望ましい。これにより、第１の枠５４または第２の枠５５を透過したレーザ光が電解質膜２で吸収され、レーザ光照射部が高温となり、その熱によりレーザ光が照射された電解質膜２部を挟持する第１の枠５４及び第２の枠５５枠を溶融させ、溶融接合が可能となる。

本実施の形態では、縦方向と横方向で等方的な特性を持つ電解質膜２を用いたため、発電領域全周において溶着部８の間隔を等間隔として、電解質膜２の乾燥収縮もしくは湿潤膨張の寸法変化による溶着部８への応力の集中を均等にしたが、縦方向と横方向で異方性を持つ電解質膜２を用いる場合は、縦方向と横方向のそれぞれの電解質膜２の特性に合せた間隔に調整すれば良い。

本実施の形態では、シール部材７と電解質膜２の端部をできる限り近づけることで、発電に寄与しない電解質膜２の量を削減している。シール部材７と電解質膜２の端部の間隔は、乾燥により収縮した電解質膜２がシール部材７より内側に到達しなければ良い。

溶着部８の間隔が広い場合は、溶融接合されていない箇所の電解質膜２の変位は大きくなるため、シール部材７と電解質膜２の端部の間隔を大きくすれば良い。シール部材７と電解質膜２の端部の間隔を大きくした場合は、電解質膜２の端部を迂回して、一方のガス
が他方の電極にリークする際のリーク経路長を長くすることがでるため、ガスリークを低減できてよい。

本実施の形態では、電解質膜２の両主面に触媒層３が塗布により形成された電解質膜−電極接合体１３の外周部を、第１の枠５４と第２の枠５５とで挟持したものを電解質膜−電極−枠接合体１４としたが、触媒層３の外側にガス拡散層を積層したものを電解質膜−電極接合体として、その電解質膜−電極接合体の外周部を、第１の枠と第２の枠とで挟持したものを電解質膜−電極−枠接合体としても構わない。

また、本実施の形態では、触媒層３の寸法を、第１の枠５４及び第２の枠５５の開口部の内径寸法より大きくしたが、触媒層３の全面が第１の枠５４及び第２の枠５５の開口部に露出するように、触媒層３の寸法を、第１の枠５４及び第２の枠５５の開口部の内径寸法より小さくしても構わない。

以上、説明したように本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法は、電解質膜２と電解質膜２を挟んで両主面に配置される電極（触媒層３）とを有する電解質膜−電極接合体１３の外周部を、電解質膜−電極接合体１３の電極（触媒層３）が露出するように、内径が電解質膜−電極接合体１３の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極接合体１３の外径よりも大きい額縁形状の第１の枠５４と第２の枠５５とで挟持した燃料電池用の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法である。

そして、本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法は、電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とで挟む狭持工程（図１の（ｄ）、図２のＳＴＥＰ４）と、狭持工程後に、第１の枠５４の開口部に露出する電解質膜−電極接合体１３の電極（触媒層３）を電極（触媒層３）に略平行な押圧面（吸着治具１０の吸着面）で第１の枠５４側から第２の枠５５側に押す押圧工程（図１の（ｅ）、図２のＳＴＥＰ５）と、押圧工程後に、固定部分が電解質膜−電極接合体１３の周方向に点在するように電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定する固定工程（図１の（ｆ）、図２のＳＴＥＰ６）と、固定工程後に、第１の枠５４と第２の枠５５と電解質膜−電極接合体１３の少なくともいずれか一つに熱を加える加熱工程（第１の枠５４及び第２の枠５５に、直接、第３の枠を射出成形する工程または電解質膜−電極接合体１３を加熱により乾燥させる工程など）と、を有している。

そして、本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法は、加熱工程で、第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分（電解質膜−電極接合体１３の外周部の一部）が、電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位しないように、且つ、加熱工程後に電解質膜−電極接合体１３に弛みが残らないように、押圧工程では、電極（触媒層３）と接触した押圧面（吸着治具１０の吸着面）を電解質膜−電極接合体１３の厚み方向の第２の枠５５側に所定距離だけ移動させることを特徴とする電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法である。

本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法は、電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とで挟む狭持工程の後で、電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定する固定工程の前に、第１の枠５４の開口部に露出する電解質膜−電極接合体１３の電極（触媒層３）を電極（触媒層３）に略平行な押圧面（吸着治具１０の吸着面）で第１の枠５４側から第２の枠５５側に押す押圧工程を有し、押圧工程において、電極（触媒層３）と接触した押圧面（吸着治具１０の吸着面）を電解質膜−電極接合体１３の厚み方向の第２の枠５５側に所定距離だけ移動させるのであるが、この所定距離は、加熱工程で、第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分（電解質膜−電極接合体１３の
外周部の一部）が、電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位しないように、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体１３に弛みが残らないように設定された距離である。

つまり、電解質膜−電極接合体１３において、加熱工程によって後に収縮する寸法分だけ予め弛ませた状態で、電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定するために、加熱工程で、第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分（電解質膜−電極接合体１３の外周部の一部）が、電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位せず、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体１３に弛みが残らない電解質膜−電極−枠接合体１４を得ることができる。

そして、加熱乾燥により収縮する電解質膜−電極接合体１３によって第１の枠５４と第２の枠５５とが開口部の内周側に引っ張られることを抑制できるため、電解質膜−電極−枠接合体１４が変形するのを抑制でき、金型内で電解質膜−電極−枠接合体１４がずれ、金型で電解質膜−電極−枠接合体１４をつぶしてしまうことがなくなり、電解質膜−電極接合体１３の寿命が低下しない電解質膜−電極−枠接合体１４の作製が可能となる。

本実施の形態では、第１の枠５４と第２の枠５５の材料に熱可塑性樹脂を用いたので、第１の枠５４と第２の枠５５の溶着、例えば、超音波溶着により、電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定することができる。

本実施の形態の固定工程では、第２の枠５５の外側から超音波ホーンを押し当てて電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定するのであるが、超音波ホーンによる溶融接合界面のみが加熱され溶融溶着ができ、周囲への熱影響を最小限に抑えることができ、電解質膜−電極−枠接合体１４の信頼性（耐久性）を向上させることができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法の実施の形態２を、従来例と異なる部分について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態において、従来例または実施の形態１と同一構成については同一符号を付して、従来例と重複する説明は省略する。

図３は、本発明の実施の形態２の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法で電解質膜−電極−枠接合体の変形を抑制できることを説明するための説明図である。

本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法で製造される電解質膜−電極−枠接合体１４は、矩形の電解質膜−電極接合体１３の周縁部を、額縁形状に成形された熱可塑性樹脂製の第１の枠５４と第２の枠５５とで挟んで、第２の枠５５の外側から超音波ホーンを押し当てる超音波溶着法による溶着部８で電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定したものである。

電解質膜−電極接合体１３は、矩形の固体高分子からなる電解質膜２の両主面の略中央部に電解質膜２より小さい矩形の触媒層３が配置されたものである。

第１の枠５４と第２の枠５５は、電解質膜−電極接合体１３の触媒層３の大部分が露出するように、開口部の内径が電解質膜−電極接合体１３の触媒層３の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極接合体１３の外径よりも大きい額縁形状である。

図３の（ａ）は、本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の平面図である。図３の（ｂ）は、電解質膜−電極接合体１３の触媒層３を平坦な吸着面（押圧面）で吸着する吸着治具１０が第１の枠５４の開口部内に収まり第１の枠５４の上面が吸着面（押圧面）
よりも低い位置で吸着面（押圧面）と略平行になるように第１の枠５４を吸着治具１０の周囲に配置して、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と第１の枠５４の上面の上に電解質膜−電極接合体１３を載置しようとしている状態の（ａ）のＥ−Ｅ線断面と（ａ）のＦ−Ｆ線断面を示す概略断面図である。

図３の（ｃ）は、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と第１の枠５４の上面の上に電解質膜−電極接合体１３が載置され、吸着治具１０の吸着面（押圧面）が電解質膜−電極接合体１３を吸着している状態の（ａ）のＥ−Ｅ線断面と（ａ）のＦ−Ｆ線断面を示す概略断面図である。

図３の（ｄ）は、電解質膜−電極接合体１３の周縁部が熱可塑性樹脂製の第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれるように、電解質膜−電極接合体１３の周縁部の上に第２の枠５５を載置（積層）した状態の（ａ）のＥ−Ｅ線断面と（ａ）のＦ−Ｆ線断面を示す概略断面図である。

図３の（ｅ）は、第２の枠５５の外側から超音波ホーンを押し当てる超音波溶着法による溶着部８で電解質膜−電極接合体１３の外周部の複数箇所を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定して電解質膜−電極−枠接合体１４とした後に、電解質膜−電極−枠接合体１４を吸着治具１０から分離させている状態の（ａ）のＣ−Ｃ線断面を示す概略断面図である。

図３の（ｆ）は、吸着治具１０の吸着面（押圧面）が電解質膜−電極接合体１３の触媒層３から離れたことにより、電解質膜−電極接合体１３における第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれていない部分（第１の枠５４と第２の枠５５の開口部に露出した部分）が弛んだ状態の（ａ）のＥ−Ｅ線断面を示す概略断面図である。

図３の（ｇ）は、加熱乾燥により電解質膜−電極接合体１３が収縮した状態の（ａ）のＥ−Ｅ線断面を示す概略断面図である。図３の（ｈ）は、加熱乾燥により電解質膜−電極接合体１３が収縮した状態の（ａ）のＦ−Ｆ線断面を示す概略断面図である。

図４は、本発明の実施の形態２の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法を示すフローチャートである。

以下、図３と図４を参照しながら、実施の形態２の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法を詳細に説明する。

ＳＴＥＰ１では、図３の（ｂ）に示すように、第１の枠５４を、吸着治具１０が第１の枠５４の開口部内に収まる（第１の枠５４が吸着治具１０の周囲を囲む）ように、且つ、第１の枠５４の上面が、吸着治具１０の上面を構成する吸着面（押圧面）よりも低い位置で吸着面（押圧面）と略平行になるように、配置（セット）する。

また、電解質膜２は、電解質膜２の両主面に触媒層３が塗布により形成されて、所定の大きさ、寸法の矩形に切断されて、電解質膜−電極接合体１３となって、吸着治具１０の上方に搬送される。

ＳＴＥＰ２では、図３の（ｃ）に示すように、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と第１の枠５４の上面の上に電解質膜−電極接合体１３を載置する。

このとき、電解質膜−電極接合体１３の触媒層３の周縁が第１の枠５４の開口部の縁よりも内周側に入らないように位置合わせすると共に、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と
電解質膜−電極接合体１３との間に空気溜まりができないように、また、できるだけ電解質膜−電極接合体１３に皺ができないようにする。

なお、このとき、吸着治具１０の吸着面（押圧面）と電解質膜−電極接合体１３との間に空気溜まりができないように、吸着治具１０は、電解質膜−電極接合体１３が吸着面に接触する前に、吸着面に開口した多数の孔から吸着面側の空気を吸引する吸引動作を開始しても構わない。

ＳＴＥＰ３で、吸着面に開口した多数の孔から吸着面側の空気を吸引する吸引動作を行って、吸着治具１０の吸着面（押圧面）で電解質膜−電極接合体１３の電極部（第１の枠５４の開口部に露出する触媒層３）を吸着により固定してから、ＳＴＥＰ４で、図３の（ｄ）に示すように、電解質膜−電極接合体１３の周縁部が第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれるように、電解質膜−電極接合体１３の周縁部の上に第２の枠５５を正しい位置に載置（積層）する。

正しい位置に第２の枠５５が載置（積層）されたときは、電解質膜−電極接合体１３の触媒層３の周縁が第２の枠５５の開口部の縁よりも内周側に入らない。

また、電解質膜−電極接合体１３を吸着治具１０に吸着固定した状態で、電解質膜−電極接合体１３の周縁部の上に第２の枠５５を載置（積層）するので、第２の枠５５を載置（積層）する作業で、電解質膜−電極接合体１３の位置がずれたり、電解質膜−電極接合体１３がめくれたりする現象の発生を抑制することができる。

そして、第２の枠５５を正しい位置に載置（積層）した後で、電解質膜−電極接合体１３の周縁部が、所定の力で、第１の枠５４と第２の枠５５とによって挟持されるように、第１の枠５４と第２の枠５５とをクランプする。

次に、ＳＴＥＰ６で、第２の枠５５の外側から超音波ホーン８１を所定の位置に当接させ、電解質膜２を介して、第１の枠５４と第２の枠５５とを、第２の枠５５側からの超音波溶着法による溶着部８で接合して、固定部分が電解質膜−電極接合体１３の周方向に点在するように電解質膜−電極接合体１３の外周部（周縁部）を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定する。

次に、ＳＴＥＰ７で、図３の（ｅ）に示すように、吸着治具１０の吸着面（押圧面）での電解質膜−電極接合体１３の電極部（第１の枠５４の開口部に露出する触媒層３）の吸着を解除し、ＳＴＥＰ８で、クランプを解除し、次のＳＴＥＰ９で、電解質膜−電極−枠接合体１４を吸着治具１０から取り出す。

このときの電解質膜−電極−枠接合体１４は、図３の（ｆ）に示すように、第１の枠５４と第２の枠５５の開口部に露出する部分の電解質膜−電極接合体１３に弛みがあるが、加熱、乾燥による収縮で、図３の（ｇ）及び（ｈ）に示すように、第１の枠５４と第２の枠５５の開口部に露出する部分の電解質膜−電極接合体１３の弛みは無くなる。

また、加熱、乾燥後においても、図３の（ｈ）に示すように、電解質膜−電極接合体１３の外周部における第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分が電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位していない。

なお、ＳＴＥＰ１で、第１の枠５４を、吸着治具１０が第１の枠５４の開口部内に収まる（第１の枠５４が吸着治具１０の周囲を囲む）ように、且つ、第１の枠５４の上面が、吸着治具１０の上面を構成する吸着面（押圧面）よりも低い位置で吸着面（押圧面）と略
平行になるように、配置（セット）するときの第１の枠５４の上面と吸着治具１０の吸着面（押圧面）との高低差は、加熱乾燥工程で第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分（電解質膜−電極接合体１３の外周部の一部）が電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位しないように、且つ加熱乾燥工程後に電解質膜−電極接合体１３に弛みが残らないように設定してある。

この高低差（第１の枠５４の上面を基準とした、吸着治具１０の吸着面（押圧面）の高さ）は、試行錯誤を重ねて導き出すことができるが、電解質膜−電極接合体１３（の電解質膜２）の膨潤率と寸法などを基に算出しても構わない。

本実施の形態では、電解質膜−電極接合体１３（の電解質膜２）を、第１の枠５４と第２の枠５５とに固定する溶着部８の形成を超音波溶着により行っている。

第１の枠５４と第２の枠５５と電解質膜２のそれぞれの材料が混在する溶着部８を形成することで、第１の枠５４および第２の枠５５と電解質膜２の固定性をより向上することができ、乾湿寸法変化による電解質膜２への応力の集中を避けることができ、電解質膜２の長期耐久性を向上することができる。

第１の枠５４と第２の枠５５とは、従来例の第１の枠５１と第２の枠５２と同様の形状にして、第１の枠５４と第２の枠５５との境界部及び溶着部８を、第２の枠５５の外側から、従来例の第３の枠５３と同様の形状の第３の枠で覆っても構わない。

この場合は、第３の枠を、第１の枠５４及び第２の枠５５と同一の樹脂材料で形成し、第１の枠５４及び第２の枠５５に、直接、第３の枠を射出成形すると、接合力が高まり、電解質膜−電極−枠接合体１４の一体性が向上し、ハンドリング性がよくなる。

溶着部８の形成においては、レーザを用いた溶融接合法を用いてもよい。レーザを用いた場合は、非接触で溶着部８を形成することが可能となり、第１の枠５４と第２の枠５５と電解質膜２のそれぞれの材料が混在する溶着部８に、電解質膜２の劣化の原因となるコンタミが混入することを防止でき、長期に性能を保証することが可能となる。

この場合のレーザ光は、少なくとも電解質膜２に吸収される波長のものを選択することが望ましく、第１の枠５４または第２の枠５５を透過し、電解質膜２に吸収される波長のレーザ光を用いることがより望ましい。これにより、第１の枠５４または第２の枠５５を透過したレーザ光が電解質膜２で吸収され、レーザ光照射部が高温となり、その熱によりレーザ光が照射された電解質膜２部を挟持する第１の枠５４及び第２の枠５５枠を溶融させ、溶融接合が可能となる。

本実施の形態では、縦方向と横方向で等方的な特性を持つ電解質膜２を用いたため、発電領域全周において溶着部８の間隔を等間隔として、電解質膜２の乾燥収縮もしくは湿潤膨張の寸法変化による溶着部８への応力の集中を均等にしたが、縦方向と横方向で異方性を持つ電解質膜２を用いる場合は、縦方向と横方向のそれぞれの電解質膜２の特性に合せた間隔に調整すれば良い。

本実施の形態では、シール部材７と電解質膜２の端部をできる限り近づけることで、発電に寄与しない電解質膜２の量を削減している。シール部材７と電解質膜２の端部の間隔は、乾燥により収縮した電解質膜２がシール部材７より内側に到達しなければ良い。

溶着部８の間隔が広い場合は、溶融接合されていない箇所の電解質膜２の変位は大きくなるため、シール部材７と電解質膜２の端部の間隔を大きくすれば良い。シール部材７と
電解質膜２の端部の間隔を大きくした場合は、電解質膜２の端部を迂回して、一方のガスが他方の電極にリークする際のリーク経路長を長くすることがでるため、ガスリークを低減できてよい。

本実施の形態では、電解質膜２の両主面に触媒層３が塗布により形成された電解質膜−電極接合体１３の外周部を、第１の枠５４と第２の枠５５とで挟持したものを電解質膜−電極−枠接合体１４としたが、触媒層３の外側にガス拡散層を積層したものを電解質膜−電極接合体として、その電解質膜−電極接合体の外周部を、第１の枠と第２の枠とで挟持したものを電解質膜−電極−枠接合体としても構わない。

また、本実施の形態では、触媒層３の寸法を、第１の枠５４及び第２の枠５５の開口部の内径寸法より大きくしたが、触媒層３の全面が第１の枠５４及び第２の枠５５の開口部に露出するように、触媒層３の寸法を、第１の枠５４及び第２の枠５５の開口部の内径寸法より小さくしても構わない。

以上、説明したように本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法は、電解質膜２と電解質膜２を挟んで両主面に配置される電極（触媒層３）とを有する電解質膜−電極接合体１３の外周部を、電解質膜−電極接合体１３の電極（触媒層３）が露出するように、内径が電解質膜−電極接合体１３の外径よりも小さくて外径が電解質膜−電極接合体１３の外径よりも大きい額縁形状の第１の枠５４と第２の枠５５とで挟持した燃料電池用の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法である。

そして、本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法は、電解質膜−電極接合体１３の電極（触媒層３）を平坦な吸着面で吸着する吸着治具１０が第１の枠５４の開口部内に収まり第１の枠５４の上面が吸着面よりも低い位置で吸着面と略平行になるように第１の枠５４を吸着治具１０の周囲に配置する配置工程（図３の（ｂ）、図４のＳＴＥＰ１）と、配置工程後に、吸着治具１０の吸着面と第１の枠５４の上面の上に電解質膜−電極接合体１３を載置する載置工程（図３の（ｃ）、図４のＳＴＥＰ２）と、吸着治具１０の吸着面で電解質膜−電極接合体１３の電極（触媒層３）を吸着する吸着工程（図３の（ｃ）、図４のＳＴＥＰ３）と、吸着工程中に、電解質膜−電極接合体１３の外周部が第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれるように電解質膜−電極接合体１３の外周部に第２の枠５５を積層する積層工程（図３の（ｄ）、図４のＳＴＥＰ４）と、積層工程後に、固定部分が電解質膜−電極接合体１３の周方向に点在するように電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定する固定工程（図３の（ｅ）、図４のＳＴＥＰ６）と、固定工程後に、第１の枠５４と第２の枠５５と電解質膜−電極接合体１３の少なくともいずれか一つに熱を加える加熱工程（第１の枠５４及び第２の枠５５に、直接、第３の枠を射出成形する工程または電解質膜−電極接合体１３を加熱により乾燥させる工程など）と、を有している。

そして、本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法は、加熱工程で、第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分（電解質膜−電極接合体１３の外周部の一部）が、電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位しないように、且つ、加熱工程後に電解質膜−電極接合体１３に弛みが残らないように、吸着治具１０の吸着面の高さを、配置工程で配置後の第１の枠５４の上面よりも所定高さだけ高くなるようにしたことを特徴とする電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法である。

本実施の形態の電解質膜−電極−枠接合体１４の製造方法は、吸着治具１０が第１の枠５４の開口部内に収まり第１の枠５４の上面が吸着治具１０の吸着面よりも低い位置で吸着治具１０の吸着面と略平行になるように第１の枠５４を吸着治具１０の周囲に配置して
から、吸着治具１０の吸着面と第１の枠５４の上面の上に電解質膜−電極接合体１３を載置し、電解質膜−電極接合体１３の外周部が第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれるように電解質膜−電極接合体１３の外周部に第２の枠５５を積層して、電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定するのであるが、第１の枠５４の上面を基準とする吸着治具１０の吸着面の高さは、後の加熱工程で、第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分（電解質膜−電極接合体１３の外周部の一部）が、電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位しないように、且つ、加熱工程後に電解質膜−電極接合体１３に弛みが残らないように設定された高さである。

つまり、電解質膜−電極接合体１３において、加熱工程によって後に収縮する寸法分だけ予め弛ませた状態で、電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定するため、加熱工程で、第１の枠５４と第２の枠５５とで挟まれ第１の枠５４と第２の枠５５とに固定されていない部分（電解質膜−電極接合体１３の外周部の一部）が、電解質膜−電極接合体１３の中央側に変位せず、且つ加熱工程後に電解質膜−電極接合体１３に弛みが残らない電解質膜−電極−枠接合体１４を得ることができる。

そして、加熱乾燥により収縮する電解質膜−電極接合体１３によって第１の枠５４と第２の枠５５とが開口部の内周側に引っ張られることを抑制できるため、電解質膜−電極−枠接合体１４が変形するのを抑制でき、金型内で電解質膜−電極−枠接合体１４がずれ、金型で電解質膜−電極−枠接合体１４をつぶしてしまうことがなくなり、電解質膜−電極接合体１３の寿命が低下しない電解質膜−電極−枠接合体１４の作製が可能となる。

本実施の形態では、第１の枠５４と第２の枠５５の材料に熱可塑性樹脂を用いたので、第１の枠５４と第２の枠５５の溶着、例えば、超音波溶着により、電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定することができる。

本実施の形態の固定工程では、第２の枠５５の外側から超音波ホーンを押し当てて電解質膜−電極接合体１３の外周部を第１の枠５４と第２の枠５５とに固定するのであるが、超音波ホーンによる溶融接合界面のみが加熱され溶融溶着ができ、周囲への熱影響を最小限に抑えることができ、電解質膜−電極−枠接合体１４の信頼性（耐久性）を向上させることができる。

本発明の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法により製造された電解質膜−電極−枠接合体は、加熱乾燥によって電解質膜−電極−枠接合体が変形するのを抑制できるため、電解質膜−電極接合体の寿命低下を防ぐことができる。したがって、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池として好適に用いることができる。

２ 電解質膜
３ 触媒層
８ 溶着部
１０ 吸着治具
１３ 電解質膜−電極接合体
１４ 電解質膜−電極−枠接合体
５４ 第１の枠
５５ 第２の枠
８１ 超音波ホーン

Claims (4)

1. 電解質膜と前記電解質膜を挟んで両主面に配置される電極とを有する電解質膜−電極接合体の外周部を、前記電解質膜−電極接合体の前記電極が露出するように、内径が前記電解質膜−電極接合体の外径よりも小さくて外径が前記電解質膜−電極接合体の外径よりも大きい額縁形状の第１の枠と第２の枠とで挟持した燃料電池用の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法であって、
   前記電解質膜−電極接合体の外周部を前記第１の枠と前記第２の枠とで挟む狭持工程と、前記狭持工程後に、前記第１の枠の開口部に露出する前記電解質膜−電極接合体の前記電極を前記電極に略平行な押圧面で前記第１の枠側から前記第２の枠側に押す押圧工程と、前記押圧工程後に、固定部分が前記電解質膜−電極接合体の周方向に点在するように前記電解質膜−電極接合体の外周部を前記第１の枠と前記第２の枠とに固定する固定工程と、前記固定工程後に、前記第１の枠と前記第２の枠と前記電解質膜−電極接合体の少なくともいずれか一つに熱を加える加熱工程と、を有し、
   前記加熱工程で、前記第１の枠と前記第２の枠とで挟まれ前記第１の枠と前記第２の枠とに固定されていない部分が、前記電解質膜−電極接合体の中央側に変位しないように、且つ前記加熱工程後に前記電解質膜−電極接合体に弛みが残らないように、前記押圧工程では、前記電極と接触した押圧面を前記電解質膜−電極接合体の厚み方向の前記第２の枠側に所定距離だけ移動させる、
   ことを特徴とする、電解質膜−電極−枠接合体の製造方法。
2. 電解質膜と前記電解質膜を挟んで両主面に配置される電極とを有する電解質膜−電極接合体の外周部を、前記電解質膜−電極接合体の前記電極が露出するように、内径が前記電解質膜−電極接合体の外径よりも小さくて外径が前記電解質膜−電極接合体の外径よりも大きい額縁形状の第１の枠と第２の枠とで挟持した燃料電池用の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法であって、
   前記電解質膜−電極接合体の前記電極を平坦な吸着面で吸着する吸着治具が前記第１の枠の開口部内に収まり前記第１の枠の上面が前記吸着面よりも低い位置で前記吸着面と略平行になるように前記第１の枠を前記吸着治具の周囲に配置する配置工程と、
   前記配置工程後に、前記吸着治具の前記吸着面と前記第１の枠の前記上面の上に前記電解質膜−電極接合体を載置する載置工程と、
   前記吸着治具の前記吸着面で、前記電解質膜−電極接合体の前記電極を吸着する吸着工程と、
   前記吸着工程中に、前記電解質膜−電極接合体の外周部が前記第１の枠と前記第２の枠とで挟まれるように前記電解質膜−電極接合体の外周部に前記第２の枠を積層する積層工程と、
   前記積層工程後に、固定部分が前記電解質膜−電極接合体の周方向に点在するように前記電解質膜−電極接合体の外周部を前記第１の枠と前記第２の枠とに固定する固定工程と、前記固定工程後に、前記第１の枠と前記第２の枠と前記電解質膜−電極接合体の少なくともいずれか一つに熱を加える加熱工程と、を有し、
   前記加熱工程で、前記第１の枠と前記第２の枠とで挟まれ前記第１の枠と前記第２の枠とに固定されていない部分が、前記電解質膜−電極接合体の中央側に変位しないように、且つ前記加熱工程後に前記電解質膜−電極接合体に弛みが残らないように、前記吸着面の高さを、前記配置工程で配置後の前記第１の枠の前記上面よりも所定高さだけ高くなるようにした、
   ことを特徴とする、電解質膜−電極−枠接合体の製造方法。
3. 前記第１の枠と前記第２の枠の材料が熱可塑性樹脂である、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法。
4. 前記固定工程では、前記第１の枠または前記第２の枠の外側から超音波ホーンを押し当てて前記電解質膜−電極接合体の外周部を前記第１の枠と前記第２の枠とに固定する、ことを特徴とする、請求項３に記載の電解質膜−電極−枠接合体の製造方法。

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