JP6747188B2 - 電解質膜とフレームとの接合体 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜とフレームとの接合体に関する。

従来から、燃料電池は、たとえば、電気自動車のような車両に搭載され、車両用モータを駆動させる電源として使用されている。

燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスによって電力を生成する膜電極接合体と、隣り合う膜電極接合体を隔離しつつ生成された電力を通電するセパレータを、交互に複数積層している。膜電極接合体は、フレームによって支持された電解質膜を、アノードとカソードによって挟み込んで構成している。

フレーム（樹脂枠）の開口の縁の部分によって、電解質膜（高分子電解質膜）の外縁（外周縁）を支持する技術が開示されている（たとえば、特許文献１参照。）。なお、燃料電池に関連して、特開２０１３−９８１５５号公報に記載された技術が挙げられる。

ところで、電解質膜は、供給された媒体を吸収して膨潤し、その媒体を排出して収縮する。すなわち、電解質膜は、燃料電池の運転中に、伸び縮みするように変形する。

特開２００９−１８１９５１号公報

したがって、特許文献１に記載された構成では、電解質膜が変形した場合、その電解質膜の外縁を支持するフレームの開口と干渉する虞がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、膨潤または収縮に伴って変形する電解質膜と、電解質膜の外縁を支持するフレームの開口との干渉を抑制できる接合体の提供を目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る電解質膜とフレームとの接合体は、電解質膜と、第１フレームと、第２フレームと、を有する。前記電解質膜は、燃料電池の膜電極接合体に用いる。前記第１フレームは、第１開口を備え前記電解質膜の外縁を一面の側から支持する。前記第２フレームは、第２開口を備え前記電解質膜の前記外縁を他面の側から支持する。前記第１開口の第１内縁は、前記電解質膜の前記一面に対面することなく前記電解質膜の前記外縁の側に向かって傾斜し、前記一面に最も近接した第１基端部と、前記一面から最も離間した第１先端部と、を備える。前記第２開口の第２内縁は、前記電解質膜の前記他面に対面しつつ前記第１開口の前記第１内縁と同一の方向に沿って傾斜し、前記他面に最も近接した第２基端部と、前記他面から最も離間した第２先端部と、を備える。ここで、前記第１フレームの前記第１基端部は、前記電解質膜の厚み方向に沿って前記第２フレームの前記第２基端部と同一となる位置に配置され、または前記位置よりも前記電解質膜の側端面に向かう側に配置される。

電解質膜とフレームとの接合体によれば、膨潤または収縮に伴って変形する電解質膜と、電解質膜の外縁を支持するフレームの開口との干渉を抑制できる。

実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 図１の燃料電池を分解して示す斜視図である。 図２の膜電極接合体を接合体とアノードとカソードに分解し、セパレータをアノード側セパレータとカソード側セパレータに分解して示す斜視図である。 図３の電解質膜とフレーム（第１フレームおよび第２フレーム）との接合体の領域４を示す斜視図である。 図４の接合体の領域５を示す端面図である。 図５の接合体の電解質膜が積層方向の一方に対して屈折した状態を模式的に示す端面図である。 図５の接合体の電解質膜が積層方向の他方に対して屈折した状態を模式的に示す端面図である。 接合体の製造方法を示すフローチャートである。 接合体の製造方法であって、上面に粘着剤を塗布した下部剥離紙、第２フレーム、および下面に第２接着剤を塗布した上部剥離紙の順に、下方から上方に向かって積層した状態の一部を示す模式図である。 図８Ａの状態から引き続き、刃先がテーパ形状の切断刃によって、最下部に位置する下部剥離紙を除く積層部材を、上方から下方に向かって第２フレームの第２開口の形状に合わせて切断しつつ、切断部分を圧縮した状態を示す模式図である。 図８Ｂの状態から引き続き、切断刃を積層部材から離間させた状態を示す模式図である。 図８Ｃの状態から引き続き、第２フレームおよび上部剥離紙のうち、第２フレームの第２開口に位置する部分（中子）を除去した状態を示す模式図である。 図８Ｄの状態から引き続き、上部剥離紙から第２フレームに対して第２接着剤を転写させつつ、上部剥離紙を第２フレームから剥離した状態を示す模式図である。 図８Ｅの状態から引き続き、上面に第２接着剤が転写された第２フレームの第２開口の第２内縁に電解質膜の外縁を接着した状態を示す模式図である。 図８Ｆの状態から引き続き、電解質膜の外縁に対して、下面に第１接着剤が転写された第１フレームの第１開口の第１内縁を接着した状態を示す模式図である。 図８Ｇの状態から引き続き、第１フレームおよび第２フレームを圧着した後、第２フレームから下部剥離紙を除去した状態を示す模式図である。 実施形態の変形例に係る電解質膜とフレーム（第１フレームおよび第２フレーム）との接合体の要部を示す端面図である。 接合体の製造方法を示すフローチャートである。 接合体の製造方法であって、上面に粘着剤を塗布した下部剥離紙、第２フレーム、上面に第１接着剤および下面に第２接着剤を塗布した上部剥離紙、および第１フレームの順に、下方から上方に向かって積層した状態の一部を示す模式図である。 図１１Ａの状態から引き続き、刃先がテーパ形状の切断刃によって、最下部に位置する下部剥離紙を除く積層部材を、上方から下方に向かって第２フレームの第２開口の形状に合わせて切断しつつ、切断部分を圧縮した状態を示す模式図である。 図１１Ｂの状態から引き続き、切断刃を積層部材から離間させた状態を示す模式図である。 図１１Ｃの状態から引き続き、第２フレーム、上部剥離紙、および第１フレームのうち、第２フレームの第２開口に位置する部分を除去した状態を示す模式図である。 図１１Ｄの状態から引き続き、上部剥離紙から第２フレームに対して第２接着剤を転写させつつ、上部剥離紙および第１フレームを第２フレームから剥離した状態を示す模式図である。 図１１Ｅの状態から引き続き、上面に第２接着剤が転写された第２フレームの第２開口の第２内縁に電解質膜の外縁を接着し、上部剥離紙から第１フレームに対して第１接着剤を転写させつつ、上部剥離紙を第１フレームから除去した状態を示す模式図である。 図１１Ｆの状態から引き続き、電解質膜の外縁に対して、下面に第１接着剤が転写された第１フレームの第１開口の第１内縁を接着した状態を示す模式図である。 図１１Ｇの状態から引き続き、第１フレームおよび第２フレームを圧着した後、第２フレームから下部剥離紙を除去した状態を示す模式図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図面において、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面において、各部材の大きさや比率は、実施形態の理解を容易にするために誇張し、実際の大きさや比率とは異なる場合がある。

図７および図１０を除く各図において、Ｘ、Ｙ、およびＺで表す矢印を用いて、燃料電池１００の方位を示している。Ｘによって表す矢印の方向は、燃料電池１００を構成する複数の燃料電池セル１１０の積層方向Ｘ（厚み）を示している。Ｙによって表す矢印の方向は、各々の燃料電池セル１１０の長手方向Ｙ（横幅）を示している。Ｚによって表す矢印の方向は、各々の燃料電池セル１１０の短手方向Ｚ（高さ）を示している。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る燃料電池１００を示す斜視図である。図２は、図１の燃料電池１００を分解して示す斜視図である。図３は、図２の膜電極接合体１１０Ｍを接合体１１０Ｎとアノード１１６とカソード１１７に分解し、セパレータ１１０Ｓをアノード側セパレータ１１８とカソード側セパレータ１１９に分解して示す斜視図である。図４は、図３の電解質膜１１１とフレーム（第１フレーム１１２および第２フレーム１１３）との接合体１１０Ｎの領域４を示す斜視図である。図５は、図４の接合体１１０Ｎの領域５を示す端面図である。図６Ａは、図５の接合体１１０Ｎの電解質膜１１１が積層方向Ｘの一方に対して屈折した状態を模式的に示す端面図である。図６Ｂは、図５の接合体１１０Ｎの電解質膜１１１が積層方向Ｘの他方に対して屈折した状態を模式的に示す端面図である。

図５を参照して、実施形態に係る電解質膜１１１とフレーム（第１フレーム１１２および第２フレーム１１３）との接合体１１０Ｎは、概説すれば、電解質膜１１１と、第１フレーム１１２と、第２フレーム１１３と、を有する。電解質膜１１１は、燃料電池１００の膜電極接合体１１０Ｍに用いる。第１フレーム１１２は、第１開口１１２ｊを備え電解質膜１１１の外縁１１１ｃを一面１１１ａの側から支持する。第２フレーム１１３は、第２開口１１３ｊを備え電解質膜１１１の外縁１１１ｃを他面１１１ｂの側から支持する。第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋは、電解質膜１１１の外縁１１１ｃの側に向かって傾斜し、一面１１１ａに最も近接した第１基端部１１２ｐと、一面１１１ａから最も離間した第１先端部１１２ｑと、を備える。第２開口１１３ｊの第２内縁１１３ｋは、第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋと同一の方向に沿って傾斜し、他面１１１ｂに最も近接した第２基端部１１３ｐと、他面１１１ｂから最も離間した第２先端部１１３ｑと、を備える。ここで、第１フレーム１１２の第１基端部１１２ｐは、第２フレーム１１３の第２基端部１１３ｐを境にして、電解質膜１１１の側端面１１１ｄに向かう側に位置する。以下、接合体１１０Ｎを含む燃料電池１００の各構成を説明する。

燃料電池１００は、たとえば、電気自動車のような車両に搭載され、車両用モータを駆動させる電源として使用する。燃料電池１００は、電力を生成する複数の燃料電池セル１１０を、電力を外部に取り出す集電ユニット１２０によって挟み込み、筐体ユニット１３０によって加圧して構成している。以下、燃料電池１００の各構成を説明する。

燃料電池セル１１０の構成を詳述する。

燃料電池セル１１０は、燃料ガスと酸化剤ガスによって電力を生成する。

燃料電池セル１１０は、図２および図３に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスによって電力を生成する膜電極接合体１１０Ｍ、および隣り合う膜電極接合体１１０Ｍを隔離しつつ生成された電力を通電するセパレータ１１０Ｓを含んでいる。互いに隣り合う燃料電池セル１１０は、その外周を熱硬化性樹脂によって密封している。

膜電極接合体１１０Ｍは、外部から供給された燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素を含有した空気または純酸素）を化学反応させることによって電力を生成する。

膜電極接合体１１０Ｍは、図３〜図５に示すように、絶縁体からなる電解質膜１１１と電解質膜１１１を保持する一対の第１フレーム１１２および第２フレーム１１３等を有する接合体１１０Ｎ、アノード１１６、およびカソード１１７を含んでいる。

膜電極接合体１１０Ｍは、接合体１１０Ｎの電解質膜１１１をアノード１１６とカソード１１７によって挟み込んで構成している。膜電極接合体１１０Ｍは、一般的にＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称している。

（接合体１１０Ｎの構成）
接合体１１０Ｎは、図３〜図５に示すように、絶縁体からなる電解質膜１１１、電解質膜１１１を積層方向Ｘに沿った一面１１１ａの側から保持する第１フレーム１１２、電解質膜１１１を積層方向Ｘに沿った他面１１１ｂの側から保持する第２フレーム１１３、電解質膜１１１と第１フレーム１１２とを接合する第１接着剤１１４、および電解質膜１１１と第２フレーム１１３とを接合する第２接着剤１１５を有している。

電解質膜１１１は、燃料電池１００の膜電極接合体１１０Ｍに用いる。

電解質膜１１１は、絶縁体からなり、イオンを通過させつつ電子の移動を阻害する。電解質膜１１１は、長板形状に形成している。電解質膜１１１は、固体の高分子材料からなる。固体高分子材料には、水素イオンを伝導し、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するフッ素系樹脂から構成している。

第１フレーム１１２は、第１開口１１２ｊを備え電解質膜１１１の外縁１１１ｃを一面１１１ａの側から支持する。

第１フレーム１１２は、電解質膜１１１よりも大きい長板形状に形成している。第１フレーム１１２は、その中央部分に、電解質膜１１１の形状よりも若干小さい長方形状の第１開口１１２ｊを備えている。第１フレーム１１２は、その第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋに、電解質膜１１１の一面の外縁１１１ｃを隣り合わせて配置している。第１フレーム１１２は、電気絶縁性を有する樹脂からなる。第１フレーム１１２には、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）、およびＰＩ（ポリイミド）を用いることができる。

ここで、第１フレーム１１２において、第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋは、図５に示すように、電解質膜１１１の外縁１１１ｃの側に向かって傾斜している。第１内縁１１２ｋは、電解質膜１１１の一面１１１ａに最も近接した第１基端部１１２ｐと、一面１１１ａから最も離間した第１先端部１１２ｑを備えている。

第１フレーム１１２は、その長手方向Ｙの一端の側に、短手方向Ｚに沿ってカソードガス供給口１１２ａ、冷却流体供給口１１２ｂ、およびアノードガス供給口１１２ｃを備えている。同様に、第１フレーム１１２は、その長手方向Ｙの他端の側に、短手方向Ｚに沿ってアノードガス排出口１１２ｄ、冷却流体排出口１１２ｅ、およびカソードガス排出口１１２ｆを備えている。

第２フレーム１１３は、第２開口１１３ｊを備え電解質膜１１１の外縁１１１ｃを他面１１１ｂの側から支持する。

第２フレーム１１３は、第１フレーム１１２と同様の外形形状からなる。第２フレーム１１３は、その第２開口１１３ｊの第２内縁１１３ｋに、電解質膜１１１の他面の外縁１１１ｃを隣り合わせて配置している。第２フレーム１１３は、第１フレーム１１２と同様に、電気絶縁性を有する樹脂からなる。

ここで、第２フレーム１１３において、第２開口１１３ｊの第２内縁１１３ｋは、図５に示すように、第１フレーム１１２の第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋと同一の方向に沿って傾斜している。第２内縁１１３ｋは、電解質膜１１１の他面１１１ｂに最も近接した第２基端部１１３ｐと、他面１１１ｂから最も離間した第２先端部１１３ｑを備えている。

特に、第２フレーム１１３の第２基端部１１３ｐを境にして、第１フレーム１１２の第１基端部１１２ｐを、電解質膜１１１の側端面１１１ｄに向かう側に位置させている。一形態として、第２フレーム１１３の第２基端部１１３ｐの位置と、第１フレーム１１２の第１基端部１１２ｐの位置が、電解質膜１１１の厚み方向に沿って同一となるように配置している。この形態に限定されることはなく、第２フレーム１１３の第２基端部１１３ｐに対して、第１フレーム１１２の第１基端部１１２ｐを図５中左側にオフセットさせて配置してもよい。

第２フレーム１１３の第２開口１１３ｊの第２内縁１１３ｋは、第１フレーム１１２の第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋと共に、第２フレーム１１３から第１フレーム１１２に向かって、電解質膜１１１の側端面１１１ｄの側に傾斜している。したがって、第１フレーム１１２の第１開口１１２ｊは、第２フレーム１１３の第２開口１１３ｊと比較して大きい。すなわち、接合体１１０Ｎは、第２フレーム１１３の第２開口１１３ｊから、第１フレーム１１２の第１開口１１２ｊにかけて、末広がりの形状となっている。

第２フレーム１１３は、第１フレーム１１２と同様に、カソードガス供給口、冷却流体供給口、アノードガス供給口、アノードガス排出口、冷却流体排出口、およびカソードガス排出口を備えている。

第１接着剤１１４は、少なくとも電解質膜１１１と第１フレーム１１２とが接する部分を接着する。

第１接着剤１１４は、第１フレーム１１２の全面に塗布する。第１接着剤１１４は、第１フレーム１１２の第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋに対して環状に塗布してもよい。第１接着剤１１４は、電気絶縁性を有する接着剤からなる。

第２接着剤１１５は、少なくとも電解質膜１１１と第２フレーム１１３とが接する部分を接着する。

第２接着剤１１５は、第２フレーム１１３の全面に塗布する。第２接着剤１１５は、第２フレーム１１３の第２開口１１３ｊの第２内縁１１３ｋに対して環状に塗布してもよい。第２接着剤１１５は、第１接着剤１１４と同一の材質からなる。

ここで、図６Ａに示すように、接合体１１０Ｎにおいて、第１フレーム１１２の第１内縁１１２ｋは、電解質膜１１１の一面１１１ａに対面することなく、第１基端部１１２ｐから第１先端部１１２ｑにかけて斜面を形成している。さらに、第１フレーム１１２の第１基端部１１２ｐは、第２フレーム１１３の第２基端部１１３ｐから電解質膜１１１側の中央側に向かって突出していない。したがって、電解質膜１１１が膨潤または収縮して第１フレーム１１２の側に変形しても、電解質膜１１１が第１内縁１１２ｋの斜面に対して非常に接触し難く、電解質膜１１１が第１内縁１１２ｋに食い込むことを防止できる。このようなことから、接合体１１０Ｎは、膨潤または収縮に伴って変形する電解質膜１１１と、電解質膜１１１の外縁１１１ｃを支持する第１フレーム１１２の第１開口１１２ｊとの干渉を抑制できる。すなわち、電解質膜１１１が膨潤または収縮に伴って変形した場合、その電解質膜１１１と第１フレーム１１２が接触している部分の応力集中を緩和できる。この結果、電解質膜１１１の機械的な耐久性が向上する。

一方、図６Ｂに示すように、接合体１１０Ｎにおいて、第２フレーム１１３の第２内縁１１３ｋは、電解質膜１１１の他面１１１ｂに対面しつつ、第２基端部１１３ｐから第２先端部１１３ｑにかけて鈍角な斜面を形成している。したがって、電解質膜１１１が膨潤または収縮して第２フレーム１１３の側に変形しても、電解質膜１１１が第２内縁１１３ｋの斜面に面接触して、電解質膜１１１が第２内縁１１３ｋに食い込むことを防止できる。このようなことから、接合体１１０Ｎは、膨潤または収縮に伴って変形する電解質膜１１１と、電解質膜１１１の外縁１１１ｃを支持する第２フレーム１１３の第２開口１１３ｊとの干渉を抑制できる。すなわち、電解質膜１１１が膨潤または収縮に伴って変形した場合、その電解質膜１１１と第２フレーム１１３が接触している部分の応力集中を緩和できる。この結果、電解質膜１１１の機械的な耐久性が向上する。

アノード１１６は、電解質膜１１１の一面１１１ａに接している。

アノード１１６は、薄板状に形成し、電解質膜１１１よりも若干小さい。アノード１１６は、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成している。アノード１１６の電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。アノード１１６のガス拡散層は、充分なガス拡散性、および導電性を有する炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトからなる。

カソード１１７は、電解質膜１１１の他面１１１ｂに接している。

カソード１１７は、アノード１１６と同様の形状および構造からなる。カソード１１７は、アノード１１６と材質を異ならせている。

セパレータ１１０Ｓは、隣り合う膜電極接合体１１０Ｍを隔離しつつ、各々の膜電極接合体１１０Ｍによって生成された電力を通電する。

セパレータ１１０Ｓは、図２および図３に示すように、アノード側セパレータ１１８とカソード側セパレータ１１９を含み、それらを接合して構成している。

アノード側セパレータ１１８は、膜電極接合体１１０Ｍのアノード１１６に接している。

アノード側セパレータ１１８は、長板形状に形成している。アノード側セパレータ１１８は、長手方向Ｙおよび短手方向Ｚに沿った長さが第１フレーム１１２の長さと同等である。アノード側セパレータ１１８は、導電性材料を有する金属からなる。

アノード側セパレータ１１８は、水素と冷却水を互いに隔てて流す流路部１１８ｇを備えている。流路部１１８ｇは、長手方向Ｙに沿って延在する凹凸形状を短手方向Ｚに沿って一定の間隔で備えたものである。流路部１１８ｇは、積層方向Ｘに沿ってアノード１１６と対面している。アノード側セパレータ１１８の流路部１１８ｇとアノード１１６との隙間を、アノード１１６に対して水素を供給する流路として構成している。

アノード側セパレータ１１８は、その長手方向Ｙの一端の側に、短手方向Ｚに沿ってカソードガス供給口１１８ａ、冷却流体供給口１１８ｂ、およびアノードガス供給口１１８ｃを備えている。同様に、アノード側セパレータ１１８は、その長手方向Ｙの他端の側に、短手方向Ｚに沿ってアノードガス排出口１１８ｄ、冷却流体排出口１１８ｅ、およびカソードガス排出口１１８ｆを備えている。

カソード側セパレータ１１９は、膜電極接合体１１０Ｍのカソード１１７に当接している。

カソード側セパレータ１１９は、アノード側セパレータ１１８と同様に、長板形状であって、導電性材料を有する金属からなる。

カソード側セパレータ１１９は、図３に示すように、空気と冷却水を互いに隔てて流す流路部１１９ｇを備えている。流路部１１９ｇは、流路部１１８ｇと同様の形状からなる。流路部１１９ｇは、積層方向Ｘに沿ってカソード１１７と対面している。カソード側セパレータ１１９の流路部１１９ｇとカソード１１７との隙間を、カソード１１７に対して空気を供給する流路として構成している。さらに、カソード側セパレータ１１９の流路部１１９ｇとアノード側セパレータ１１８の流路部１１８ｇとの隙間を、冷却水を供給する流路として構成している。

カソード側セパレータ１１９は、アノード側セパレータ１１８と同様に、カソードガス供給口１１９ａ、冷却流体供給口１１９ｂ、アノードガス供給口１１９ｃ、アノードガス排出口１１９ｄ、冷却流体排出口１１９ｅ、およびカソードガス排出口１１９ｆを備えている。

集電ユニット１２０の構成を詳述する。

集電ユニット１２０は、複数の燃料電池セル１１０によって生成された電力を外部に取り出す。

集電ユニット１２０は、図１および図２に示すように、複数の燃料電池セル１１０を積層方向Ｘに沿って挟み込んで集電する一対の第１集電板１２１および第２集電板１２２を含んでいる。

第１集電板１２１は、複数積層した燃料電池セル１１０の一方（図２中の左側）の側から集電する。

第１集電板１２１は、長板形状に形成している。第１集電板１２１は、長手方向Ｙおよび短手方向Ｚに沿った長さが膜電極接合体１１０Ｍの長さと同等であって、積層方向Ｘに沿った厚みが膜電極接合体１１０Ｍの厚みと同等である。

第１集電板１２１は、その中央に長方形状の集電部１２１ｈを備えている。集電部１２１ｈは、ガスを透過させない緻密質カーボンのような導電性材料からなり、アノード１１６の外形よりも若干小さい薄板状に形成している。集電部１２１ｈは、複数積層した燃料電池セル１１０の一方の最外層（図２中の左側）に位置する膜電極接合体１１０Ｍのアノード１１６に接している。集電部１２１ｈは、その中央から突出した円柱形状の送電部１２１ｉを備えている。

第１集電板１２１は、その長手方向Ｙの一端の側に、短手方向Ｚに沿ってカソードガス供給口１２１ａ、冷却流体供給口１２１ｂ、およびアノードガス供給口１２１ｃを備えている。同様に、第１集電板１２１は、その長手方向Ｙの他端の側に、短手方向Ｚに沿ってアノードガス排出口１２１ｄ、冷却流体排出口１２１ｅ、およびカソードガス排出口１２１ｆを備えている。

第２集電板１２２は、複数積層した燃料電池セル１１０の他方（図２中の右側）の側から集電する。

第２集電板１２２は、第１集電板１２１の集電部１２１ｈと同様の構成からなる集電部１２２ｈを備えている。集電部１２２ｈは、複数積層した燃料電池セル１１０の他方の最外層（図２中の右側）に位置する膜電極接合体１１０Ｍのカソード１１７に接している。第２集電板１２２は、第１集電板１２１の送電部１２１ｉと同様の構成からなる送電部を備えている。

第２集電板１２２は、第１集電板１２１と同様の外形形状からなる。第２集電板１２２は、第１集電板１２１と異なり、カソードガス供給口、冷却流体供給口、アノードガス供給口、アノードガス排出口、冷却流体排出口、およびカソードガス排出口を備えていない。

筐体ユニット１３０の構成を詳述する。

筐体ユニット１３０は、集電ユニット１２０によって挟み込まれた状態の複数の燃料電池セル１１０を加圧しつつ保護する。

筐体ユニット１３０は、図１および図２に示すように、集電ユニット１２０を介して複数の燃料電池セル１１０を加圧する一対のエンドプレート１３１およびエンドプレート１３２、一対のエンドプレート１３１およびエンドプレート１３２を締結する一対の締結板１３３、一対のエンドプレート１３１およびエンドプレート１３２を補強する補強板１３４、および各構成部材をねじ止めするネジを含んでいる。

エンドプレート１３１は、第１集電板１２１（図２中の左側）の側から複数の燃料電池セル１１０を加圧する。

エンドプレート１３１は、長板形状に形成している。エンドプレート１３１は、長手方向Ｙおよび短手方向Ｚに沿った長さが第１集電板１２１の長さと同等であって、積層方向Ｘに沿った厚みが第１集電板１２１の厚みよりも十分に厚い。エンドプレート１３１は、金属からなり、第１集電板１２１と接する部分に絶縁層を備えている。

エンドプレート１３１は、その長手方向Ｙの一端の側に、短手方向Ｚに沿ってカソードガス供給口１３１ａ、冷却流体供給口１３１ｂ、およびアノードガス供給口１３１ｃを備えている。同様に、エンドプレート１３１は、その長手方向Ｙの他端の側に、短手方向Ｚに沿ってアノードガス排出口１３１ｄ、冷却流体排出口１３１ｅ、およびカソードガス排出口１３１ｆを備えている。エンドプレート１３１は、第１集電板１２１の送電部１２１ｉを挿通させる貫通孔１３１ｎを備えている。

エンドプレート１３２は、第２集電板１２２（図２中の右側）の側から複数の燃料電池セル１１０を加圧する。

エンドプレート１３２は、エンドプレート１３１と同様の外形形状からなる。エンドプレート１３２は、エンドプレート１３１と異なり、カソードガス供給口、冷却流体供給口、アノードガス供給口、アノードガス排出口、冷却流体排出口、およびカソードガス排出口を備えていない。エンドプレート１３２は、エンドプレート１３１と同様に、第２集電板１２２の送電部を挿通させる貫通孔１３２ｎを備えている。

一対の締結板１３３は、一対のエンドプレート１３１およびエンドプレート１３２の間隔を一定に維持しつつ、燃料電池セル１１０の上面および下面を保護する。

一対の締結板１３３は、平板状に形成している。一対の締結板１３３は、十分な強度を備えた金属からなる。一対の締結板１３３は、上下に対面するように水平に延在させた状態において、複数の燃料電池セル１１０を加圧している一対のエンドプレート１３１およびエンドプレート１３２に対して、複数のネジを用いて固定している。一対の締結板１３３は、燃料電池セル１１０と集電ユニット１２０を上方および下方から被覆して保護している。

一対の補強板１３４は、一対のエンドプレート１３１およびエンドプレート１３２の間隔を一定に維持しつつ燃料電池セル１１０の両側面を保護する。

補強板１３４は、長板形状に形成している。補強板１３４は、十分な強度を備えた金属からなる。一対の補強板１３４は、左右に対面するように短手方向Ｚに沿って起立させた状態において、複数の燃料電池セル１１０を加圧している一対のエンドプレート１３１およびエンドプレート１３２に対して、複数のネジを用いて固定している。一対の補強板１３４は、燃料電池セル１１０と集電ユニット１２０を側方から被覆して保護している。

（接合体１１０Ｎの製造方法）
図７は、接合体１１０Ｎの製造方法を示すフローチャートである。図８Ａ〜図８Ｈは、接合体１１０Ｎの製造方法を示す模式図である。

まず、図８Ａに示すように、下部剥離紙２０１、第２フレーム１１３および上部剥離紙２０２の順に、下方から上方に向かって積層する。下部剥離紙２０１には、その上面に粘着剤２０１ａを塗布している。上部剥離紙２０２には、その下面に第２接着剤１１５を塗布している（図７のＳ１１）。

つぎに、図８Ｂに示すように、刃先がテーパ形状（直角三角形状）の切断刃２０３によって、最下部に位置する下部剥離紙２０１を除く積層部材を、上方から下方に向かって第２フレーム１１３の第２開口１１３ｊの形状に合わせて切断しつつ、切断部分を圧縮してテーパ形状に形成する。切断刃２０３の角度は、たとえば、３０°〜４５°である。製造工程の最後まで下部剥離紙２０１を切断しない（ハーフカットする）ことから、下部剥離紙２０１の剛性を保って、長尺状の積層部材を連続的に搬送しつつ、量産性を維持して切断や積層の加工を行うことができる（図７のＳ１２）。

つぎに、図８Ｃに示すように、切断刃２０３を積層部材から離間させる（図７のＳ１３）。

つぎに、図８Ｄに示すように、第２フレーム１１３および上部剥離紙２０２のうち、第２フレーム１１３の第２開口１１３ｊに位置する部分（中子）を除去する（図７のＳ１４）。

つぎに、図８Ｅに示すように、上部剥離紙２０２を第２フレーム１１３から剥離する。そのときに、上部剥離紙２０２から第２フレーム１１３に対して第２接着剤１１５が転写される（図７のＳ１５）。

つぎに、図８Ｆに示すように、上面に第２接着剤１１５が転写された第２フレーム１１３の第２開口１１３ｊに対して、電解質膜１１１の外縁１１１ｃを接着する（図７のＳ１６）。

つぎに、下面に第１接着剤１１４が転写された第１フレーム１１２は、上面に第２接着剤１１５が転写された第２フレーム１１３を製造する方法に準じて、別途製造する。その上で、図８Ｇに示すように、電解質膜１１１の外縁１１１ｃに対して、下面に第１接着剤１１４が転写された第１フレーム１１２の第１開口１１２ｊを接着する（図７のＳ１７）。

つぎに、図８Ｈに示すように、第１フレーム１１２および第２フレーム１１３を圧着する。さらに、第２フレーム１１３から下部剥離紙２０１を除去する。下部剥離紙２０１に塗布されている粘着剤２０１ａは、第２フレーム１１３に転写されない（図７のＳ１８）。

以上、説明した実施形態の作用効果を説明する。

電解質膜１１１とフレーム（第１フレーム１１２および第２フレーム１１３）との接合体１１０Ｎは、電解質膜１１１と、第１フレーム１１２と、第２フレーム１１３と、を有する。電解質膜１１１は、燃料電池１００の膜電極接合体１１０Ｍに用いる。第１フレーム１１２は、第１開口１１２ｊを備え電解質膜１１１の外縁１１１ｃを一面１１１ａの側から支持する。第２フレーム１１３は、第２開口１１３ｊを備え電解質膜１１１の外縁１１１ｃを他面１１１ｂの側から支持する。第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋは、電解質膜１１１の外縁１１１ｃの側に向かって傾斜し、一面１１１ａに最も近接した第１基端部１１２ｐと、一面１１１ａから最も離間した第１先端部１１２ｑと、を備える。第２開口１１３ｊの第２内縁１１３ｋは、第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋと同一の方向に沿って傾斜し、他面１１１ｂに最も近接した第２基端部１１３ｐと、他面１１１ｂから最も離間した第２先端部１１３ｑと、を備える。ここで、第１フレーム１１２の第１基端部１１２ｐは、第２フレーム１１３の第２基端部１１３ｐを境にして、電解質膜１１１の側端面１１１ｄに向かう側に位置する。

かかる接合体１１０Ｎによれば、第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋは、電解質膜１１１の一面１１１ａに対面することなく、第１基端部１１２ｐから第１先端部１１２ｑにかけて斜面を形成している。さらに、第１フレーム１１２の第１基端部１１２ｐは、第２フレーム１１３の第２基端部１１３ｐから電解質膜１１１側の中央側に向かって突出していない。したがって、電解質膜１１１が膨潤または収縮して第１フレーム１１２の側に変形しても、電解質膜１１１が第１内縁１１２ｋの斜面に対して非常に接触し難く、電解質膜１１１が第１内縁１１２ｋに食い込むことを防止できる。

一方、接合体１１０Ｎにおいて、第２開口１１３ｊの第２内縁１１３ｋは、電解質膜１１１の他面１１１ｂに対面しつつ、第２基端部１１３ｐから第２先端部１１３ｑにかけて斜面を形成している。したがって、電解質膜１１１が膨潤または収縮して第２フレーム１１３の側に変形しても、電解質膜１１１が第２内縁１１３ｋの斜面に面接触して、電解質膜１１１が第２内縁１１３ｋに食い込むことを防止できる。

このようなことから、接合体１１０Ｎは、膨潤または収縮に伴って変形する電解質膜１１１と、電解質膜１１１の外縁１１１ｃを支持するフレーム（第１フレーム１１２および第２フレーム１１３）の開口（第１開口１１２ｊおよび第２開口１１３ｊ）との干渉を抑制できる。

接合体１１０Ｎは、第１内縁１１２ｋが、第１基端部１１２ｐから電解質膜１１１の外縁１１１ｃの側に向かって傾斜している。第１フレーム１１２の第１開口１１２ｊが、第２フレーム１１３の第２開口１１３ｊよりも大きい。ここで、電解質膜１１１の一面１１１ａの側に、膜電極接合体１１０Ｍに用いるアノード１１６を臨ませることが好ましい。

かかる接合体１１０Ｎによれば、燃料電池１００の運転時に、電解質膜１１１が、カソード１１７側から応力を受けてアノード１１６側に向かって変形しても、第２開口１１３ｊよりも大きい第１開口１１２ｊに対面したアノード１１６との、過度な干渉を回避することができる。なお、燃料電池１００の運転時に、カソード１１７とアノード１１６とで圧力差が生じ、カソード１１７の方が相対的に高圧になるために、上記構成とする。

接合体１１０Ｎは、少なくとも電解質膜１１１と第１フレーム１１２とが接する部分を第１接着剤１１４によって接合し、少なくとも電解質膜１１１と第２フレーム１１３とが接する部分を第２接着剤１１５によって接合することが好ましい。

かかる接合体１１０Ｎによれば、第１フレーム１１２と第２フレーム１１３によって、第１接着剤１１４および第２接着剤１１５を介して、電解質膜１１１を十分に固定して支持することができる。

電解質膜１１１とフレーム（第１フレーム１１２および第２フレーム１１３）との接合体１１０Ｎの製造方法は、燃料電池１００の膜電極接合体１１０Ｍに用いる電解質膜１１１の外縁１１１ｃを一面１１１ａの側から支持する第１フレーム１１２における第１開口１１２ｊの第１内縁１１２ｋを、電解質膜１１１の外縁１１１ｃの側に向かって傾斜するように切断して形成し、電解質膜１１１の外縁１１１ｃを他面１１１ｂの側から支持する第２フレーム１１３における第２開口１１３ｊの第２内縁１１３ｋを、第１内縁１１２ｋと同一の方向に沿って傾斜するように切断して形成し、形成した第１内縁１１２ｋは、一面１１１ａに最も近接した第１基端部１１２ｐと、一面１１１ａから最も離間した第１先端部１１２ｑと、を備え、形成した第２内縁１１３ｋは、他面１１１ｂに最も近接した第２基端部１１３ｐと、他面１１１ｂから最も離間した第２先端部１１３ｑと、を備え、第１フレーム１１２の第１基端部１１２ｐが、第２フレーム１１３の第２基端部１１３ｐを境にして、電解質膜１１１の側端面１１１ｄに向かう側に位置するように、膜電極接合体１１０Ｍを第１フレーム１１２と第２フレーム１１３とによって挟み込んで積層する。

かかる接合体１１０Ｎの製造方法によれば、非常に簡便な方法によって、膨潤または収縮に伴って変形する電解質膜１１１と、電解質膜１１１の外縁１１１ｃを支持するフレーム（第１フレーム１１２および第２フレーム１１３）の開口（第１開口１１２ｊおよび第２開口１１３ｊ）との干渉を抑制できる接合体１１０Ｎを製造することができる。

接合体１１０Ｎの製造方法は、電解質膜１１１と第１フレーム１１２とを第１接着剤１１４によって接合し、電解質膜１１１と第２フレーム１１３とを第２接着剤１１５によって接合することが好ましい。

かかる接合体１１０Ｎの製造方法によれば、第１接着剤１１４および第２接着剤１１５を用い、電解質膜１１１と第１フレーム１１２および第２フレーム１１３を十分に固定することができる。

（実施形態の変形例）
図９は、実施形態の変形例に係る電解質膜１１１とフレーム（第１フレーム３１２および第２フレーム３１３）との接合体３１０Ｎの要部を示す端面図である。図１０は、接合体３１０Ｎの製造方法を示すフローチャートである。図１１Ａ〜図１１Ｈは、接合体３１０Ｎの製造方法を示す模式図である。

実施形態の変形例の電解質膜１１１とフレーム（第１フレーム３１２および第２フレーム３１３）との接合体３１０Ｎは、第１フレーム３１２の第１内縁３１２ｋおよび第２フレーム３１３の第２内縁３１３ｋ等を電解質膜１１１に対して一直線上に傾斜させた点において、上述した実施形態と相違する。

実施形態の変形例では、上述した実施形態とは異なる接合体３１０Ｎの構成および製造方法について説明する。

（接合体３１０Ｎの構成）
接合体３１０Ｎは、第１フレーム３１２の第１内縁３１２ｋ、硬化した第１接着剤１１４の第１端部１１４ａ、硬化した第２接着剤１１５の第２端部１１５ａ、および第２フレーム３１３の第２内縁３１３ｋが、電解質膜１１１に対して一直線上に傾斜している。すなわち、第１フレーム３１２の第１内縁３１２ｋと硬化した第１接着剤１１４の第１端部１１４ａによって一つの連続した斜面を形成している。同様に、硬化した第２接着剤１１５の第２端部１１５ａと第２フレーム３１３の第２内縁３１３ｋによって一つの連続した斜面を形成している。

接合体３１０Ｎにおいて、第１内縁３１２ｋと第１端部１１４ａからなる斜面と、第２端部１１５ａと第２内縁３１３ｋからなる斜面は、電解質膜１１１を介して、一つの斜面を構成している。すなわち、接合体３１０Ｎは、第２フレーム３１３の第２開口３１３ｊから、第１フレーム３１２の第１開口３１２ｊにかけて、末広がりの形状となっている。

（接合体３１０Ｎの製造方法）
まず、図１１Ａに示すように、下部剥離紙２０１、第２フレーム３１３、上部剥離紙２０２、および第１フレーム３１２の順に、下方から上方に向かって積層する。下部剥離紙２０１には、その上面に粘着剤２０１ａを塗布している。上部剥離紙２０２には、その上面に第１接着剤１１４および下面に第２接着剤１１５を塗布している（図１０のＳ２１）。

つぎに、図１１Ｂに示すように、刃先がテーパ形状（直角三角形状）の切断刃２０３によって、最下部に位置する下部剥離紙２０１を除く積層部材を、上方から下方に向かって第２フレーム３１３の第２開口３１３ｊの形状に合わせて切断しつつ、切断部分を圧縮してテーパ形状に形成する。後の工程によって電解質膜１１１と入れ替える上部剥離紙２０２の厚みは、電解質膜１１１の厚みと等しい。

このようにして、第１フレーム３１２の第１内縁３１２ｋ、第１接着剤１１４の第１端部１１４ａ、第２接着剤１１５の第２端部１１５ａ、および第２フレーム３１３の第２内縁３１３ｋを、同一の角度によって一直線上に傾斜させる。特に、切断刃２０３によって切断しつつ、第１フレーム３１２の第１内縁３１２ｋと、第２フレーム３１３の第２内縁３１３ｋの相対的な位置合わせを行うことができる。したがって、量産性に優れている。製造工程の最後まで下部剥離紙２０１を切断しない（ハーフカットする）ことから、下部剥離紙２０１の剛性を保って、長尺状の積層部材を連続的に搬送しつつ、量産性を維持して切断や積層の加工を行うことができる（図１０のＳ２２）。

つぎに、図１１Ｃに示すように、切断刃２０３を積層部材から離間させる（図１０のＳ２３）。

つぎに、図１１Ｄに示すように、第２フレーム３１３、上部剥離紙２０２、および第１フレーム３１２のうち、第２フレーム３１３の第２開口３１３ｊに位置する部分（中子）を除去する（図１０のＳ２４）。

つぎに、図１１Ｅに示すように、上部剥離紙２０２および第１フレーム３１２を第２フレーム３１３から剥離する。そのときに、上部剥離紙２０２から第２フレーム３１３に対して第２接着剤１１５が転写される（図１０のＳ２５）。

つぎに、図１１Ｆに示すように、上面に第２接着剤１１５が転写された第２フレーム３１３の第２開口３１３ｊに対して、電解質膜１１１の外縁１１１ｃを接着する。さらに、図１１Ｅに示す製造工程における上部剥離紙２０２を、第１フレーム３１２から除去する。そのときに、上部剥離紙２０２から第１フレーム３１２に対して第１接着剤１１４が転写される（図１０のＳ２６）。

つぎに、図１１Ｇに示すように、電解質膜１１１の外縁１１１ｃに対して、下面に第１接着剤１１４が転写された第１フレーム３１２の第１開口３１２ｊを接着する（図１０のＳ２７）。

つぎに、図１１Ｈに示すように、第１フレーム３１２および第２フレーム３１３を圧着する。さらに、第２フレーム３１３から下部剥離紙２０１を除去する。下部剥離紙２０１に塗布されている粘着剤２０１ａは、第２フレーム３１３に転写されない（図１０のＳ２８）。

以上、説明した実施形態の変形例の作用効果を説明する。

電解質膜１１１とフレーム（第１フレーム３１２および第２フレーム３１３）との接合体３１０Ｎは、第１フレーム３１２の第１内縁３１２ｋ、第１接着剤１１４の第１端部１１４ａ、第２接着剤１１５の第２端部１１５ａ、および第２フレーム３１３の第２内縁３１３ｋが、電解質膜１１１に対して一直線上に傾斜している。

かかる接合体３１０Ｎによれば、第１開口３１２ｊの第１内縁３１２ｋは、硬化した第１接着剤１１４の第１端部１１４ａと共に、電解質膜１１１の一面１１１ａに対面することなく、第１基端部３１２ｐから第１先端部３１２ｑにかけて斜面を形成している。さらに、第１フレーム３１２の第１基端部３１２ｐおよび硬化した第１接着剤１１４の第１端部１１４ａは、第２フレーム３１３の第２基端部３１３ｐから電解質膜１１１側の中央側に向かって突出していない。したがって、電解質膜１１１が膨潤または収縮して第１フレーム３１２の側に変形しても、電解質膜１１１が第１内縁３１２ｋおよび第１端部１１４ａからなる斜面に対して非常に接触し難く、電解質膜１１１が第１内縁３１２ｋに食い込むことを防止できる。

一方、接合体３１０Ｎにおいて、第２開口３１３ｊの第２内縁３１３ｋは、硬化した第２接着剤１１５の第２端部１１５ａと共に、電解質膜１１１の他面１１１ｂに対面しつつ、第２基端部３１３ｐから第２先端部３１３ｑにかけて斜面を形成している。したがって、電解質膜１１１が膨潤または収縮して第２フレーム３１３の側に変形しても、電解質膜１１１が第２内縁３１３ｋおよび第２端部１１５ａからなる斜面に面接触して、電解質膜１１１が第２内縁３１３ｋに食い込むことを防止できる。

このようなことから、接合体３１０Ｎは、膨潤または収縮に伴って変形する電解質膜１１１と、電解質膜１１１の外縁１１１ｃを支持するフレーム（第１フレーム３１２および第２フレーム３１３）の開口（第１開口３１２ｊおよび第２開口３１３ｊ）との干渉を抑制できる。

接合体３１０Ｎの製造方法は、第１内縁３１２ｋと第２内縁３１３ｋとが、電解質膜１１１に対して一直線上に傾斜して並ぶように、第１フレーム３１２と第２フレーム３１３とを一の切断刃２０３によって連続して切断して、第１内縁３１２ｋおよび第２内縁３１３ｋを形成することが好ましい。

かかる接合体３１０Ｎの製造方法によれば、非常に簡便な方法によって、第１開口３１２ｊと第２開口３１３ｊの相対的な位置決めを行うことができ、かつ、第１フレーム３１２と第２フレーム３１３を連続して成形することができる。したがって、接合体３１０Ｎの製造方法によれば、接合体３１０Ｎを構成する第１フレーム３１２と第２フレーム３１３の開口部分における位置決め精度を一定に保つことができ、かつ、接合体３１０Ｎの製造に要するタクトを短縮することができる。

そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。

１００ 燃料電池、
１１０ 燃料電池セル、
１１０Ｍ 膜電極接合体、
１１０Ｎ，３１０Ｎ 接合体、
１１１ 電解質膜、
１１１ａ 一面、
１１１ｂ 他面、
１１１ｃ 外縁、
１１１ｄ 側端面、
１１２，３１２ 第１フレーム、
１１２ｊ，３１２ｊ 第１開口、
１１２ｋ，３１２ｋ 第１内縁、
１１２ｐ，３１２ｐ 第１基端部、
１１２ｑ，３１２ｑ 第１先端部、
１１３，３１３ 第２フレーム、
１１３ｊ，３１３ｊ 第２開口、
１１３ｋ，３１３ｋ 第２内縁、
１１３ｐ，３１３ｐ 第２基端部、
１１３ｑ，３１３ｑ 第２先端部、
１１４ 第１接着剤、
１１４ａ 第１端部、
１１５ 第２接着剤、
１１５ａ 第２端部、
１１６ アノード、
１１７ カソード、
１１０Ｓ セパレータ、
１１８ アノード側セパレータ、
１１９ カソード側セパレータ、
１２０ 集電ユニット、
１２１ 第１集電板、
１２２ 第２集電板、
１３０ 筐体ユニット、
１３１，１３２ エンドプレート、
１３３ 締結板、
１３４ 補強板、
２０１ 下部剥離紙、
２０１ａ 粘着剤、
２０２ 上部剥離紙、
２０３ 切断刃、
Ｘ （燃料電池１００を構成する複数の燃料電池セル１１０の）積層方向、
Ｙ （各々の燃料電池セル１１０の）長手方向、
Ｚ （各々の燃料電池セル１１０）の短手方向。

Claims (4)

1. 燃料電池の膜電極接合体に用いる電解質膜と、
   第１開口を備え前記電解質膜の外縁を一面の側から支持する第１フレームと、
   第２開口を備え前記電解質膜の前記外縁を他面の側から支持する第２フレームと、を有し、
   前記第１開口の第１内縁は、前記電解質膜の前記一面に対面することなく前記電解質膜の前記外縁の側に向かって傾斜し、前記一面に最も近接した第１基端部と、前記一面から最も離間した第１先端部と、を備え、
   前記第２開口の第２内縁は、前記電解質膜の前記他面に対面しつつ前記第１開口の前記第１内縁と同一の方向に沿って傾斜し、前記他面に最も近接した第２基端部と、前記他面から最も離間した第２先端部と、を備え、
   前記第１フレームの前記第１基端部は、前記電解質膜の厚み方向に沿って前記第２フレームの前記第２基端部と同一となる位置に配置され、または前記位置よりも前記電解質膜の側端面に向かう側に配置される、電解質膜とフレームとの接合体。
2. 前記電解質膜の前記一面の側に、前記膜電極接合体に用いるアノードを臨ませる、請求項１に記載の電解質膜とフレームとの接合体。
3. 少なくとも前記電解質膜と前記第１フレームとが接する部分を第１接着剤によって接合し、少なくとも前記電解質膜と前記第２フレームとが接する部分を第２接着剤によって接合した、請求項１または２に記載の電解質膜とフレームとの接合体。
4. 前記第１フレームの前記第１内縁、前記第１接着剤の前記第１開口に臨んでいる第１端部、前記第２接着剤の前記第２開口に臨んでいる第２端部、および前記第２フレームの前記第２内縁は、前記電解質膜に対して一直線上に傾斜した、請求項３に記載の電解質膜とフレームとの接合体。