JP7408446B2 - 樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池用樹脂枠部材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池用樹脂枠部材の製造方法に関する。
発電セルは、例えば、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して形成される。樹脂枠付きＭＥＡは、電解質膜の一方の面にアノード電極が設けられるとともに電解質膜の他方の面にカソード電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた四角環状の樹脂枠部材とを備える。
樹脂枠部材の内周端部は、アノード電極の外周部とカソード電極の外周部との間に配置された状態で電解質膜に接合される。このような樹脂枠部材において、内周端部の厚さ方向に沿った断面が四角形状であると、樹脂枠部材の内周端部の内方に隙間（電解質膜と電極とが互いに離間した部分）が形成される。樹脂枠付きＭＥＡにおいて、樹脂枠部材の内周端部の内方に形成された隙間は、未発電部となる。そのため、発電セルの発電効率が低下する。
例えば、特許文献１には、樹脂枠部材の内周端部の内方の隙間を小さくした樹脂枠付きＭＥＡが開示されている。この樹脂枠付きＭＥＡの樹脂枠部材の内周端部には、電解質膜側の面から電解質膜とは反対側の面に向かって内方に傾斜した傾斜面が形成されている。
本発明は、上記の従来技術に関連してなされたものであり、樹脂枠部材の製造効率を高めつつ発電効率を向上させることができる樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池用樹脂枠部材の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた樹脂枠部材と、を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、前記樹脂枠部材の内周端部は、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部を周回するように四角環状に形成されるとともに、前記第１電極と前記電解質膜と前記第２電極とが積層された積層方向において前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、前記内周端部には、前記樹脂枠部材の一方の面から前記樹脂枠部材の他方の面に向かって内方に傾斜した傾斜面が全周に亘って形成され、前記傾斜面は、前記内周端部の各辺部の延在方向の中央から両端に向かって、前記延在方向と前記積層方向とに直交する方向に沿った幅寸法が狭くなるように形成されている、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体である。
本発明の他の態様は、樹脂フィルムの中央部に形成された四角形状の開口部を囲む内周端部に傾斜面を形成することにより、電解質膜・電極構造体の外周部に設けられる樹脂枠部材を製造する燃料電池用樹脂枠部材の製造方法であって、前記樹脂フィルムの前記開口部の中央部にレーザ射出口を配置する配置工程と、前記開口部の中央部に配置されたレーザ射出口から射出されたレーザ光を前記内周端部に照射することにより、四角形状の前記開口部を周回するように前記傾斜面を形成するレーザ加工工程と、を含み、前記レーザ加工工程では、前記レーザ光の光軸を前記樹脂フィルムの平面方向と前記樹脂フィルムの厚さ方向とに交差する傾斜方向に沿わせた状態で、前記レーザ光を前記内周端部の全周に亘って照射する、燃料電池用樹脂枠部材の製造方法である。
本発明によれば、樹脂枠部材の内周端部に傾斜面を形成している。つまり、樹脂枠部材の内周端部は、内方に向かって薄く形成されている。そのため、樹脂枠部材の内周端部よりも内方の隙間を小さくすることができる。よって、発電領域の面積が増えるため、発電効率を向上させることができる。
また、樹脂フィルムの開口部の中央部に配置されたレーザ射出口から射出されたレーザ光を樹脂フィルムの内周端部の全周に亘って照射することにより傾斜面が形成される。この際、傾斜面は、樹脂枠部材の内周端部の各辺部の延在方向の中央から両端に向かって幅狭に形成される。この場合、レーザ射出口を開口部の中央部に配置しているため、レーザ射出口を樹脂フィルムの内周端部に沿って四角形状に移動させる必要がない。これにより、レーザ加工工程のサイクルタイムの短縮化を図ることができる。よって、樹脂枠部材の製造効率を高めることができる。
以下、本発明に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池用樹脂枠部材の製造方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図１及び図２に示すように、発電セル１０は、その厚さ方向（矢印Ａ方向）に複数積層されて燃料電池スタック１２を形成する。燃料電池スタック１２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。なお、複数の発電セル１０の積層方向は、水平方向及び重力方向のいずれでもよい。
図１において、発電セル１０は、横長の長方形状に形成されている。ただし、発電セル１０は、縦長の長方形状に形成されてもよい。図１及び図２に示すように、発電セル１０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（以下、「樹脂枠付きＭＥＡ１４」という。）と、樹脂枠付きＭＥＡ１４の両側に配設された第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８とを備える。樹脂枠付きＭＥＡ１４は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ２０」という）と、ＭＥＡ２０の外周部に設けられた樹脂枠部材２２（樹脂枠部）とを有する。
図２において、ＭＥＡ２０は、電解質膜２４と、電解質膜２４の一方の面２４ａに設けられたアノード電極２６（第１電極）と、電解質膜２４の他方の面２４ｂに設けられたカソード電極２８（第２電極）とを有する。電解質膜２４は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜２４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。電解質膜２４は、アノード電極２６及びカソード電極２８に挟持される。
詳細は図示しないが、アノード電極２６は、電解質膜２４の一方の面２４ａに接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。第１電極触媒層は、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ガス拡散層の全面に一様に塗布されて形成される。
カソード電極２８は、電解質膜２４の他方の面２４ｂに接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。第２電極触媒層は、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ガス拡散層の全面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層のそれぞれは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。
アノード電極２６の平面寸法（外形寸法）は、カソード電極２８の平面寸法よりも大きい。電解質膜２４の平面寸法は、アノード電極２６の平面寸法と同じである。アノード電極２６の外周端２６ｏは、カソード電極２８の外周端２８ｏよりも外方に位置する。電解質膜２４の面方向（図２の矢印Ｃ方向）において、電解質膜２４の外周端２４ｏは、アノード電極２６の外周端２６ｏと同じ位置にある。
アノード電極２６の平面寸法は、カソード電極２８の平面寸法よりも小さくてもよい。この場合、アノード電極２６の外周端２６ｏは、カソード電極２８の外周端２８ｏよりも内方に位置する。電解質膜２４の平面寸法は、アノード電極２６の平面寸法と同じであってもよいし、カソード電極２８の平面寸法と同じであってもよい。アノード電極２６の平面寸法は、カソード電極２８の平面寸法と同じであってもよい。この場合、電解質膜２４の面方向において、電解質膜２４の外周端２４ｏ、アノード電極２６の外周端２６ｏ及びカソード電極２８の外周端２８ｏは、互いに同じ位置にある。
図１及び図２において、樹脂枠部材２２は、ＭＥＡ２０の外周部を周回する１枚の枠状シートである。樹脂枠部材２２は、電気的絶縁性を有する。樹脂枠部材２２の構成材料としては、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が挙げられる。樹脂枠部材２２の詳細な説明については後述する。
図１において、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８のそれぞれは、長方形状（四角形状）に形成されている。第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８のそれぞれは、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、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。ただし、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８のそれぞれは、カーボン等により構成されてもよい。第１セパレータ１６と第２セパレータ１８とは、互いに重ねた状態で外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合される。
発電セル１０の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向の端縁部）には、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、発電セル１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、矢印Ａ方向に酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給する。冷却媒体入口連通孔３２ａは、矢印Ａ方向に冷却媒体（例えば、純水、エチレングリコール、オイル等）を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ａ方向に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を排出する。
発電セル１０の矢印Ｂ方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向の端縁部）には、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が、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａは、矢印Ａ方向に燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔３２ｂは、矢印Ａ方向に冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ａ方向に酸化剤ガスを排出する。
酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂと冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂのそれぞれの大きさ、位置、形状及び数は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。
図１及び図２に示すように、第１セパレータ１６のＭＥＡ２０に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３６が設けられる。燃料ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝３８を有する。各燃料ガス流路溝３８は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。
図１において、第１セパレータ１６には、樹脂枠付きＭＥＡ１４と第１セパレータ１６との間から外部への流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）の漏出を防止する第１シール部４０が設けられている。第１シール部４０は、第１セパレータ１６の外周部を周回し、各連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３０ａ等）を周回する。第１シール部４０は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て直線状に延在している。ただし、第１シール部４０は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在してもよい。
図２において、第１シール部４０は、第１セパレータ１６に一体成形された第１金属ビード部４２と、第１金属ビード部４２に設けられた第１樹脂材４４とを有する。第１金属ビード部４２は、第１セパレータ１６から樹脂枠部材２２に向かって突出している。第１金属ビード部４２の横断面形状は、第１金属ビード部４２の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。第１樹脂材４４は、第１金属ビード部４２の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第１樹脂材４４は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。
図１及び図２に示すように、第２セパレータ１８のＭＥＡ２０に向かう面１８ａ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とに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の酸化剤ガス流路溝４８を有する。各酸化剤ガス流路溝４８は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。
図１において、第２セパレータ１８には、樹脂枠付きＭＥＡ１４と第２セパレータ１８との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の漏出を防止する第２シール部５０が設けられている。第２シール部５０は、第２セパレータ１８の外周部を周回し、各連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３０ａ等）を周回する。第２シール部５０は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て直線状に延在している。ただし、第２シール部５０は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在してもよい。
図２において、第２シール部５０は、第２セパレータ１８に一体成形された第２金属ビード部５２と、第２金属ビード部５２に設けられた第２樹脂材５４とを有する。第２金属ビード部５２は、第２セパレータ１８から樹脂枠部材２２に向かって突出している。第２金属ビード部５２の横断面形状は、第２金属ビード部５２の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。第２樹脂材５４は、第２金属ビード部５２の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第２樹脂材５４は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。
第１シール部４０及び第２シール部５０は、セパレータ厚さ方向から見て互いに重なるように配置されている。そのため、燃料電池スタック１２に締付荷重（圧縮荷重）が付与された状態で、第１金属ビード部４２及び第２金属ビード部５２のそれぞれが弾性変形（圧縮変形）する。また、この状態で、第１シール部４０の突出端面（第１樹脂材４４）が樹脂枠部材２２の一方の面２２ａに気密及び液密に接触するとともに第２シール部５０の突出端面（第２樹脂材５４）が樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂに気密及び液密に接触する。
第１樹脂材４４は、第１金属ビード部４２ではなく、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａに設けられてもよい。第２樹脂材５４は、第２金属ビード部５２ではなく、樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂに設けられてもよい。また、第１樹脂材４４及び第２樹脂材５４の少なくともいずれかは、省略されてもよい。第１シール部４０及び第２シール部５０は、上述したようなメタルビードシールではなく、弾性を有するゴムシール部材で形成されてもよい。
図１及び図２において、第１セパレータ１６の面１６ｂと第２セパレータ１８の面１８ｂ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とに連通する冷却媒体流路５６が設けられる。冷却媒体流路５６は、酸化剤ガス流路４６の裏面形状と燃料ガス流路３６の裏面形状とによって形成される。
図１及び図３に示すように、樹脂枠部材２２は、四角環状に形成されている。つまり、図３において、樹脂枠部材２２の中央部には、四角形状の開口部６０が形成されている。そのため、図１～図３に示すように、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、ＭＥＡ２０の外周部を周回するように四角環状に形成されている。なお、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、樹脂枠部材２２の内端２２ｉ及びその近傍領域を構成する部分である（図２参照）。
図２に示すように、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、アノード電極２６の外周部２７とカソード電極２８の外周部２９との間に配置されている。具体的に、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、電解質膜２４の外周部２５とカソード電極２８の外周部２９とによって挟持されている。なお、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、電解質膜２４の外周部２５とアノード電極２６の外周部２７とによって挟持されてもよい。
図３において、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、４つの直線状の辺部６２と、４つの角部６４とを含む。図２、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、樹脂枠部材２２の内方に向かって先細り形状に形成されている。換言すれば、内周端部２３は、樹脂枠部材２２の内方に向かって厚さ（矢印Ａ方向の寸法）が減少する。内周端部２３には、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａから他方の面２２ｂに向かって内方に傾斜した傾斜面６６が形成されている。傾斜面６６は、開口部６０を周回するように内周端部２３の全周に亘って延在している。つまり、傾斜面６６は、各辺部６２と各角部６４とに亘って四角環状に延在している。傾斜面６６は、平坦に形成されている。
図３において、傾斜面６６は、各辺部６２の延在方向の中央から両端に向かって幅狭に形成されている。すなわち、傾斜面６６の幅Ｗは、各辺部６２の延在方向の中央から両端に向かって連続して減少している。傾斜面６６の幅Ｗは、各辺部６２の中央の位置で最も広く、各角部６４の位置で最も狭い。傾斜面６６の外周端６６ｏは、各辺部６２の延在方向の中央から両端に向かって内方に傾斜した直線部７０ａと、各角部６４に位置して隣り合う直線部７０ａに連結したＲ形状の連結部７０ｂとを含む。
直線部７０ａは、各辺部６２に２つずつ設けられている。互いに隣り合う２つの直線部７０ａは、各辺部６２の延在方向の中央で連結している。つまり、傾斜面６６は、各辺部６２において、２つの直線部７０ａの連結部を頂点とする山形状（三角形状）に形成される。連結部７０ｂは、樹脂枠部材２２の厚さ方向から見て、円弧状に形成されている。
図４Ａに示すように、傾斜面６６の内端６６ｉは、樹脂枠部材２２の内端２２ｉに位置する。各辺部６２の延在方向の中央において、傾斜面６６の内端６６ｉは、樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂに位置する。図４Ｂに示すように、傾斜面６６の内端６６ｉは、各辺部６２の延在方向の中央から両端に向かって樹脂枠部材２２の一方の面２２ａ側に傾斜している。換言すれば、樹脂枠部材２２の内端２２ｉは、各辺部６２の延在方向の中央から両端に向かって厚さ（矢印Ａ方向の寸法）が増加する。
図２、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、樹脂枠部材２２の内方に向かって先細り形状に形成されている。換言すれば、内周端部２３は、樹脂枠部材２２の内方に向かって厚さ（矢印Ａ方向の寸法）が減少する。
図２に示すように、傾斜面６６の傾斜角度θ（樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂと傾斜面６６とのなす角度）は、例えば、４５°以下が好ましく、１５°以上３０°以下がより好ましく、略２０°がより一層好ましい。傾斜角度θは、適宜設定可能である。傾斜角度θは、内周端部２３の全周に亘って略一定である。ただし、傾斜角度θは、内周端部２３の周方向の適宜の位置で変化してもよい。
傾斜面６６は、電解質膜２４の他方の面２４ｂに対向している。換言すれば、傾斜面６６は、電解質膜２４の他方の面２４ｂに近接又は接触している。内周端部２３は、内方に向かって薄く形成されている。そのため、内周端部２３の内方に形成される隙間Ｓは、内周端部２３に傾斜面６６を形成しない場合（内周端部２３の横断面が四角形状である場合）と比較して小さくなる。
図２において、電解質膜２４の外周部２５には、樹脂枠部材２２の傾斜面６６に対向する部分に第１傾斜領域８０ａが設けられる。電解質膜２４において、第１傾斜領域８０ａよりも外方に位置するアノード電極２６側の面８０ｂは、第１傾斜領域８０ａよりも内方に位置するアノード電極２６側の面８０ｃよりも、カソード電極２８からより離れている。
アノード電極２６の外周部２７には、電解質膜２４の第１傾斜領域８０ａに対向する部分に第２傾斜領域８２ａが設けられる。第２傾斜領域８２ａは、第１傾斜領域８０ａに対して略平行に延在している。アノード電極２６において、第２傾斜領域８２ａよりも外方に位置する第１セパレータ１６側の面８２ｂは、第２傾斜領域８２ａよりも内方に位置する第１セパレータ１６側の面８２ｃよりも、カソード電極２８からより離れている。
カソード電極２８の外周部２９には、樹脂枠部材２２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に樹脂枠部材２２の傾斜面６６と重なる箇所に第３傾斜領域８４ａが設けられている。第３傾斜領域８４ａは、カソード電極２８の外周端２８ｏに向かって樹脂枠部材２２が位置する側とは反対側に傾斜している。カソード電極２８において、第３傾斜領域８４ａよりも外方に位置する第２セパレータ１８側の面８４ｂは、第３傾斜領域８４ａよりも内方に位置する第２セパレータ１８側の面８４ｃよりも、アノード電極２６からより離れている。
次に、本実施形態に係る発電セル１０を含む燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。
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１８の酸化剤ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ２０のカソード電極２８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１６の燃料ガス流路３６に導入され、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、ＭＥＡ２０のアノード電極２６に供給される。
従って、ＭＥＡ２０では、カソード電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２６に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
次いで、図１において、カソード電極２８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２６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１６と第２セパレータ１８との間の冷却媒体流路５６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
次に、本実施形態に係る樹脂枠部材２２の製造方法について、以下に説明する。
樹脂枠部材２２の製造方法は、図５に示すように、準備工程、配置工程、レーザ加工工程を含む。
準備工程（ステップＳ１）では、図６に示すような樹脂フィルム１００を作製する。樹脂フィルム１００は、横長の長方形状に形成されている。樹脂フィルム１００の中央部には、四角形状の開口部６０が形成されている。つまり、樹脂フィルム１００は、四角環状に形成されている。樹脂フィルム１００の内周端部１０２は、４つの辺部１０４と、４つの角部１０６とを有する。
樹脂フィルム１００の長辺方向の一端縁部には、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が形成されている。樹脂フィルム１００の長手方向の他端縁部には、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が形成されている。なお、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、レーザ加工工程の終了後に樹脂フィルム１００に対して形成してもよい。
配置工程（ステップＳ２）では、図６～図８に示すように、樹脂フィルム１００の開口部６０の中央部にレーザ照射装置２００のレーザ加工ヘッド２０２を配置する。図７及び図８において、レーザ加工ヘッド２０２には、レーザ光Ｌを射出するレーザ射出口２０４が設けられている。レーザ加工ヘッド２０２は、開口部６０の中央（開口部６０の長辺及び短辺の中心）を通るとともに樹脂フィルム１００の厚さ方向（矢印Ａ方向）に沿って開口部６０の中央に位置する回転軸Ａｘの周りに回転可能である。
レーザ射出口２０４は、回転軸Ａｘ上に位置する。レーザ射出口２０４は、樹脂フィルム１００の平面方向と樹脂フィルム１００の厚さ方向とに交差する傾斜方向を向いている。すなわち、レーザ射出口２０４から射出されるレーザ光Ｌの光軸は、前記傾斜方向に沿うことになる。レーザ光Ｌの照射角度θ１（回転軸Ａｘとレーザ光Ｌとのなす角度）は、樹脂フィルム１００の開口部６０の大きさ及び樹脂フィルム１００の厚さ等に応じて適宜設定される。
レーザ射出口２０４は、樹脂フィルム１００に対して樹脂フィルム１００の厚さ方向にずれて位置している。樹脂フィルム１００の一方の面１００ａは、レーザ加工ヘッド２０２とは反対側を向いている。樹脂フィルム１００の他方の面１００ｂは、レーザ加工ヘッド２０２が位置する側を向いている。
レーザ加工工程（ステップＳ３）では、レーザ射出口２０４から樹脂フィルム１００の内周端部１０２にレーザ光Ｌを照射することにより、内周端部１０２に傾斜面６６を形成する。換言すれば、レーザ加工工程では、レーザ光Ｌの光軸を樹脂フィルム１００の平面方向と樹脂フィルム１００の厚さ方向とに交差する傾斜方向に沿わせた状態で、レーザ光Ｌを内周端部１０２の全周に亘って照射する。
具体的に、レーザ加工工程では、レーザ射出口２０４を前記傾斜方向に向けた状態で、レーザ加工ヘッド２０２（レーザ射出口２０４）を回転軸Ａｘの周りに少なくとも１回転させる。この際、樹脂フィルム１００の厚さ方向における樹脂フィルム１００とレーザ射出口２０４との相対位置は、固定されている。換言すれば、レーザ射出口２０４は、樹脂フィルム１００に対して樹脂フィルム１００の厚さ方向に移動することなく、回転軸Ａｘの周りに少なくとも１回転する。また、レーザ射出口２０４は、レーザ光Ｌの照射角度θ１を一定に維持した状態で、回転軸Ａｘの周りに少なくとも１回転する。
図７に示すように、レーザ射出口２０４から射出されたレーザ光Ｌは、樹脂フィルム１００の内周端部１０２の入射点Ｐｉから樹脂フィルム１００内に入射し、出射点Ｐｏから樹脂フィルム１００の外側に出射される。樹脂フィルム１００のうちレーザ光Ｌが通過した部分が、切断面（樹脂枠部材２２の傾斜面６６）になる。レーザ光Ｌは、樹脂フィルム１００内を略直線状に通過する。
図６において、レーザ射出口２０４と樹脂フィルム１００の内周端部１０２との距離（レーザ照射距離）は、内周端部１０２の各辺部１０４の延在方向の中央から両端（各角部１０６）に向かうに従って徐々に長くなる。すなわち、内周端部１０２の長辺を形成する辺部１０４の中央におけるレーザ照射距離（第１レーザ照射距離Ｄ１）は、内周端部１０２の角部１０６でのレーザ照射距離（第２レーザ照射距離Ｄ２）よりも短い（図７及び図８参照）。
図７に示すように、内周端部１０２の長辺を形成する辺部１０４の中央において、レーザ光Ｌは、第１入射点Ｐ１から樹脂フィルム１００内に入射し、第１出射点Ｐ２から樹脂フィルム１００の外側に出射される。第１入射点Ｐ１は、例えば、樹脂フィルム１００の内端面１０８のうち樹脂フィルム１００の他方の面１００ｂ側の端に位置する。ただし、第１入射点Ｐ１は、樹脂フィルム１００の他方の面１００ｂにおける内端面１０８よりも外方に位置してもよいし、樹脂フィルム１００の内端面１０８（開口部６０を形成する面）に位置してもよい。第１出射点Ｐ２は、樹脂フィルム１００の一方の面１００ａにおける内端面１０８よりも外方に位置する。第１出射点Ｐ２は、第１入射点Ｐ１よりも外方に位置する。
図８に示すように、内周端部１０２の各角部１０６において、レーザ光Ｌは、第２入射点Ｐ３から樹脂フィルム１００内に入射し、第２出射点Ｐ４から樹脂フィルム１００の外側に出射される。第２入射点Ｐ３は、樹脂フィルム１００の内端面１０８に位置する。第２出射点Ｐ４は、樹脂フィルム１００の一方の面１００ａにおける内端面１０８よりも外方に位置する。第２出射点Ｐ４は、第２入射点Ｐ３よりも外方に位置する。
図７及び図８において、第２入射点Ｐ３は、第１入射点Ｐ１よりも樹脂フィルム１００の一方の面１００ａ側に位置する。第１入射点Ｐ１と第１出射点Ｐ２とを結ぶ第１直線距離Ｗ１（傾斜面６６の幅寸法）は、第２入射点Ｐ３と第２出射点Ｐ４とを結ぶ第２直線距離Ｗ２（傾斜面６６の幅寸法）よりも長い。入射点Ｐｉと出射点Ｐｏとを結ぶ直線距離（傾斜面６６の幅寸法）は、内周端部１０２の中央から両端（角部１０６）に向かって短くなる（図６参照）。第１直線距離Ｗ１と第２直線距離Ｗ２との差は、第１レーザ照射距離Ｄ１と第２レーザ照射距離Ｄ２との差が長くなるほど大きくなる。
本実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１４及び樹脂枠部材２２（燃料電池用樹脂枠部材）の製造方法は、以下の効果を奏する。
樹脂枠部材２２の内周端部２３は、ＭＥＡ２０の外周部を周回するように四角環状に形成されるとともにアノード電極２６の外周部２７とカソード電極２８の外周部２９との間に配置されている。樹脂枠部材２２の内周端部２３には、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａから樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂに向かって内方に傾斜した傾斜面６６が全周に亘って形成されている。傾斜面６６は、内周端部２３の各辺部６２の中央から両端に向かって幅狭に形成されている。
樹脂枠部材２２の製造方法では、樹脂フィルム１００の開口部６０の中央部にレーザ射出口２０４を配置する配置工程と、開口部６０の中央部に配置されたレーザ射出口２０４から射出されたレーザ光Ｌを樹脂フィルム１００の内周端部１０２に照射することにより、内周端部１０２に傾斜面６６を形成するレーザ加工工程とを含む。レーザ加工工程では、レーザ光Ｌの光軸を樹脂フィルム１００の平面方向と樹脂フィルム１００の厚さ方向とに交差する傾斜方向に沿わせた状態で、レーザ光Ｌを内周端部１０２の全周に亘って照射する。この際、レーザ射出口２０４の樹脂フィルム１００の他方の面１００ｂからの高さは、一定であるのが好ましい。
このような構成及び方法によれば、樹脂枠部材２２の内周端部２３に傾斜面６６を形成している。つまり、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、内方に向かって薄く形成されている。そのため、樹脂枠部材２２の内周端部２３よりも内方の隙間Ｓを小さくすることができる。よって、発電領域の面積が増えるため、発電効率を向上させることができる。
また、樹脂フィルム１００の開口部６０の中央部に配置されたレーザ射出口２０４から射出されたレーザ光Ｌを樹脂フィルム１００の内周端部１０２の全周に亘って照射することにより傾斜面６６が形成される。この際、傾斜面６６は、樹脂枠部材２２の内周端部１０２の各辺部１０４の延在方向の中央から両端に向かって幅狭に形成される。この場合、レーザ射出口２０４を開口部６０の中央部に固定して回転させるだけでよく、レーザ射出口２０４を樹脂フィルム１００の内周端部１０２に沿って四角形状に移動させる必要がない。これにより、レーザ加工工程のサイクルタイムの短縮化を図ることができる。よって、樹脂枠部材２２の製造効率を高めることができる。
傾斜面６６は、電解質膜２４に対向している。
このような構成によれば、樹脂枠部材２２の内周端部２３が電解質膜２４に突き刺さることを抑えることができる。これにより、電解質膜２４の損傷を抑制することができる。
傾斜面６６は、内周端部２３の各角部６４に設けられている。傾斜面６６の外周端６６ｏのうち各角部６４に位置する部分（連結部７０ｂ）は、Ｒ形状に形成されている。
このような構成によれば、樹脂枠部材２２の内周端部２３の各角部６４に傾斜面６６を形成しているため、発電領域の面積が一層増えるため、発電効率を一層向上させることができる。
レーザ加工工程では、レーザ射出口２０４を樹脂フィルム１００の平面方向と樹脂フィルム１００の厚さ方向とに交差する傾斜方向に向けた状態で、開口部６０の中央部を通るとともに樹脂フィルム１００の厚さ方向に沿った回転軸Ａｘの周りにレーザ射出口２０４を少なくとも１回転させている。
このような方法によれば、レーザ加工工程のサイクルタイムの一層の短縮化を図ることができる。
レーザ加工工程では、樹脂フィルム１００の厚さ方向における樹脂フィルム１００とレーザ射出口２０４との相対位置を固定した状態で、レーザ射出口２０４を回転軸Ａｘの周りに少なくとも１回転させている。
このような方法によれば、レーザ加工工程において、レーザ射出口２０４の位置制御を簡単に行うことができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。レーザ加工工程では、樹脂フィルム１００の厚さ方向における樹脂フィルム１００とレーザ射出口２０４との相対位置を変化させながら、レーザ光Ｌを樹脂フィルム１００の内周端部１０２の全周に亘って照射してもよい。これにより、樹脂枠部材２２の内周端部２３の適宜の位置で傾斜面６６の幅寸法を変えることができる。また、レーザ加工工程では、レーザ光Ｌの照射角度θ１を変化させながら、レーザ光Ｌを樹脂フィルム１００の内周端部１０２の全周に亘って照射してもよい。
レーザ加工工程では、例えば、レーザ射出口２０４を開口部６０に向けた状態で、ミラー等の光学系を制御することにより、レーザ光Ｌを樹脂フィルム１００の内周端部１０２の全周に照射してもよい。
以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。
上記実施形態は、電解質膜（２４）の一方の面（２４ａ）に第１電極（２６）が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面（２４ｂ）に第２電極（２８）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（２０）と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた樹脂枠部材（２２）と、を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（１４）であって、前記樹脂枠部材の内周端部（２３）は、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部を周回するように四角環状に形成されるとともに前記第１電極の外周部（２７）と前記第２電極の外周部（２９）との間に配置され、前記内周端部には、前記樹脂枠部材の一方の面から前記樹脂枠部材の他方の面に向かって内方に傾斜した傾斜面（６６）が全周に亘って形成され、前記傾斜面は、前記内周端部の各辺部（６２）の延在方向の中央から両端に向かって幅狭に形成されている、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を開示している。
上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記傾斜面は、前記電解質膜に対向してもよい。
上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記傾斜面の外周端（６６ｏ）は、前記各辺部の延在方向の中央から両端に向かって内方に直線状に傾斜してもよい。
上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記傾斜面は、前記内周端部の各角部（６４）に設けられ、前記傾斜面の外周端のうち前記各角部に位置する部分（７０ｂ）は、Ｒ形状に形成されてもよい。
上記実施形態は、樹脂フィルム（１００）の中央部に形成された四角形状の開口部（６０）を囲む内周端部（１０２）に傾斜面を形成することにより、電解質膜・電極構造体の外周部に設けられる樹脂枠部材を製造する燃料電池用樹脂枠部材の製造方法であって、前記樹脂フィルムの前記開口部の中央部にレーザ射出口（２０４）を配置する配置工程と、前記開口部の中央部に配置された前記レーザ射出口から射出されたレーザ光（Ｌ）を前記内周端部に照射することにより、前記内周端部に前記傾斜面を形成するレーザ加工工程と、を含み、前記レーザ加工工程では、前記レーザ光の光軸を前記樹脂フィルムの平面方向と前記樹脂フィルムの厚さ方向とに交差する傾斜方向に沿わせた状態で、前記レーザ光を前記内周端部の全周に亘って照射する、燃料電池用樹脂枠部材の製造方法を開示している。
上記の燃料電池用樹脂枠部材の製造方法において、前記レーザ加工工程では、前記レーザ射出口を前記傾斜方向に向けた状態で、前記開口部の中央部を通るとともに前記樹脂フィルムの厚さ方向に沿った回転軸（Ａｘ）の周りに前記レーザ射出口を少なくとも１回転させてもよい。
上記の燃料電池用樹脂枠部材の製造方法において、前記レーザ加工工程では、前記樹脂フィルムの厚さ方向における前記樹脂フィルムと前記レーザ射出口との相対位置を固定した状態で、前記レーザ射出口を前記回転軸の周りに少なくとも１回転させてもよい。
上記の燃料電池用樹脂枠部材の製造方法において、前記レーザ加工工程では、前記樹脂フィルムの厚さ方向における前記樹脂フィルムと前記レーザ射出口との相対位置を変化させながら、前記レーザ射出口を前記回転軸の周りに少なくとも１回転させてもよい。
１４…樹脂枠付きＭＥＡ（樹脂枠付き電解質膜・電極構造体）
２０…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
２２…樹脂枠部材 ２３、１０２…内周端部
２４…電解質膜 ２６…アノード電極（第１電極）
２８…カソード電極（第２電極） ６６…傾斜面
１００…樹脂フィルム ２０４…レーザ射出口
Ａｘ…回転軸 Ｌ…レーザ光
２０…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
２２…樹脂枠部材 ２３、１０２…内周端部
２４…電解質膜 ２６…アノード電極（第１電極）
２８…カソード電極（第２電極） ６６…傾斜面
１００…樹脂フィルム ２０４…レーザ射出口
Ａｘ…回転軸 Ｌ…レーザ光
Claims (8)
- 電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた樹脂枠部材と、を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記樹脂枠部材の内周端部は、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部を周回するように四角環状に形成されるとともに、前記第１電極と前記電解質膜と前記第２電極とが積層された積層方向において前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、
前記内周端部には、前記樹脂枠部材の一方の面から前記樹脂枠部材の他方の面に向かって内方に傾斜した傾斜面が全周に亘って形成され、
前記傾斜面は、前記内周端部の各辺部の延在方向の中央から両端に向かって、前記延在方向と前記積層方向とに直交する方向に沿った幅寸法が狭くなるように形成されている、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。 - 請求項１記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記傾斜面は、前記電解質膜に対向している、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。 - 請求項１又は２に記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記傾斜面の外周端は、前記各辺部の延在方向の中央から両端に向かって内方に直線状に傾斜している、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記傾斜面は、前記内周端部の各角部に設けられ、
前記傾斜面の外周端のうち前記各角部に位置する部分は、Ｒ形状に形成されている、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。 - 樹脂フィルムの中央部に形成された四角形状の開口部を囲む内周端部に傾斜面を形成することにより、電解質膜・電極構造体の外周部に設けられる樹脂枠部材を製造する燃料電池用樹脂枠部材の製造方法であって、
前記樹脂フィルムの前記開口部の中央部にレーザ射出口を配置する配置工程と、
前記開口部の中央部に配置された前記レーザ射出口から射出されたレーザ光を前記内周端部に照射することにより、四角形状の前記開口部を周回するように前記傾斜面を形成するレーザ加工工程と、を含み、
前記レーザ加工工程では、前記レーザ光の光軸を前記樹脂フィルムの平面方向と前記樹脂フィルムの厚さ方向とに交差する傾斜方向に沿わせた状態で、前記レーザ光を前記内周端部の全周に亘って照射する、燃料電池用樹脂枠部材の製造方法。 - 請求項５記載の燃料電池用樹脂枠部材の製造方法であって、
前記レーザ加工工程では、前記レーザ射出口を前記傾斜方向に向けた状態で、前記開口部の中央部を通るとともに前記樹脂フィルムの厚さ方向に沿った回転軸の周りに前記レーザ射出口を少なくとも１回転させる、燃料電池用樹脂枠部材の製造方法。 - 請求項６記載の燃料電池用樹脂枠部材の製造方法であって、
前記レーザ加工工程では、前記樹脂フィルムの厚さ方向における前記樹脂フィルムと前記レーザ射出口との相対位置を固定した状態で、前記レーザ射出口を前記回転軸の周りに少なくとも１回転させる、燃料電池用樹脂枠部材の製造方法。 - 請求項６記載の燃料電池用樹脂枠部材の製造方法であって、
前記レーザ加工工程では、前記樹脂フィルムの厚さ方向における前記樹脂フィルムと前記レーザ射出口との相対位置を変化させながら、前記レーザ射出口を前記回転軸の周りに少なくとも１回転させる、燃料電池用樹脂枠部材の製造方法。
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