JP7487679B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池の製造方法に関する。

特許文献１に、燃料電池が開示されている。この燃料電池は、電極シートと、電極シートに接合された支持フレームとを備える。電極シートは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に積層された第１触媒層及び第１ガス拡散層と、電解質膜の他方の面に積層された第２触媒層及び第２ガス拡散層とを備える。第１触媒層及び第１ガス拡散層は、平面視において電解質膜よりも小さなサイズを有しており、それらの周囲で露出する電解質膜の表面に、支持フレームが接合体を介して接合されている。接合体は、熱可塑性樹脂を用いて構成されており、支持フレームと電極シートとの間の接合は、熱プレスによる熱圧着によって行われている。即ち、支持フレームと電極シートとの間に配置された接合体を、熱プレスによって加圧しながら溶融することで、支持フレームと電極シートとを互いに接合している。

特開２０１７－０６８９５６号公報

上記した燃料電池では、第１触媒層及び第１ガス拡散層が、支持フレームの開口部内に位置しており、支持フレームの開口部と第１ガス拡散層との間には、隙間が存在している。このような構成であると、当該隙間が存在する位置では、電極シートの厚みが局所的に小さくなるために、電極シート（特に、電解質膜）に応力が集中しやすく、電極シートがダメージを受けるおそれがある。これを避けるためには、支持フレームと電極シートとの間に配置した接合体を、支持フレームの開口部内まで延出することによって、電極シートを補強することが考えられる。しかしながら、支持フレームと電極シートとの間に配置された接合体を、支持フレームを介して熱圧着するだけでは、支持フレームの開口部内に位置する部分まで、電極シートへ十分に溶着させることは難しい。

上記の実情を鑑み、本明細書は、電極シートと支持フレームとの間を、熱可塑性樹脂を用いて構成された接合体で接合するための新規な手法を提供する。

本明細書が開示する技術は、燃料電池の製造方法に具現化される。この燃料電池の製造方法は、少なくとも電解質膜を有する電極シートを用意する工程と、前記電解質膜上に、熱可塑性樹脂で構成された接合体を枠状に配置する工程と、前記電解質膜上に配置された前記接合体上に、開口部を有する支持フレームを配置する工程と、前記支持フレーム上にレーザを照射して前記接合体を溶融し、前記電解質膜と前記支持フレームとを互いに溶着する第１レーザ照射工程と、前記支持フレームの前記開口部内に位置する前記接合体上にレーザを照射して前記接合体を溶融し、前記接合体を前記電解質膜に溶着させる第２レーザ照射工程と、を備える。

上記した製造方法では、支持フレーム上にレーザを照射する第１レーザ照射工程と、支持フレームの開口部内に位置する接合体上にレーザを照射する第２レーザ照射工程とを備える。第１レーザ照射工程では、支持フレームと電極シートとの間に位置する接合体を溶融させることで、電極シートと支持フレームとを互いに溶着する。第２レーザ照射工程では、支持フレームの開口部内に位置する接合体を溶融させることで、接合体を電解質膜に溶着させる。レーザの照射を用いることで、支持フレームと電極シートとの間に位置する部分だけでなく、支持フレームの開口部内に位置する部分も含めて、接合体の任意の位置を選択的に溶融させることができる。これにより、支持フレームと電極シートとを互い接合するとともに、それらの間から延出する接合体を電解質膜に溶着させることによって、電極シートの脆弱部を補強することができる。

実施例の燃料電池１０の概略構成を示す図。 燃料電池セル１２の概略構成を示す分解図。 ＭＥＧＡ１４の概略構成を示す分解図。 ＭＥＧＡ１４の上面図。 図４のＶ－Ｖ線における断面図。 電解質膜２２を含むＭＥＧＡ１４又はその半製品を用意する工程を示す図。 電解質膜２２上に接合体３４を配置する工程を説明する図。 電解質膜２２上に接合体３４を配置する貼付装置３８を説明する図。 図８におけるＩＸ部の拡大図。 接合体３４上に支持フレーム１６を配置する工程を説明する図。 第１レーザ照射工程を説明する図。 第１レーザ照射工程におけるレーザＬの照射軌跡Ｌ１を示す図。 第２レーザ照射工程を説明する図。 第２レーザ照射工程におけるレーザＬの照射軌跡Ｌ２を示す図。 熱プレス工程を説明する図。 複数の第１テープ材５２を電解質膜２２上へ配置する工程を説明する図。 複数の第２テープ材５４を複数の第１テープ材５２上へ配置する工程を説明する図。 図１７のＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ線における断面図。熱プレス工程前を示す。 熱プレス工程後の図１８の断面図。

本技術の一実施形態において、第２レーザ照射工程においてレーザの照射範囲に与えられる単位面積当たりのエネルギーは、第１レーザ照射工程においてレーザの照射範囲に与えられる単位面積当たりのエネルギーよりも小さくてもよい。第１レーザ照射工程では、支持フレームを介して接合体にレーザを照射することで、接合体を溶融させる必要がある。一方、第２レーザ照射工程では、支持フレームを介することなく、接合体にレーザを直接的に照射することができ、接合体を容易に溶融させることができる。即ち、接合体を溶融させるのに要する単位面積当たりのエネルギーは、第２レーザ照射工程の方が、第１レーザ照射工程よりも小さい。そのことから、第１レーザ照射工程と第２レーザ照射工程とで同じようにレーザを照射した場合、第１レーザ照射工程において接合体の加熱が不十分となる、あるいは、第２レーザ照射工程において接合体の加熱が過剰となるおそれがある。これを避けるためには、上述したように、第２レーザ照射工程においてレーザの照射範囲に与えられる単位面積当たりのエネルギーを、第１レーザ照射工程においてレーザの照射範囲に与えられる単位面積当たりのエネルギーよりも小さくすることができる。これにより、第１レーザ照射工程と第２レーザ照射工程とのそれぞれにおいて、接合体を過不足なく加熱することができる。

上記の一実施形態において、第２レーザ照射工程におけるレーザのエネルギー密度を、第１レーザ照射工程におけるレーザのエネルギー密度よりも小さくしてもよい。第１レーザ照射工程と第２レーザ照射工程との間で、照射するレーザのエネルギー密度を変更することにより、レーザの照射範囲に与えられる単位面積当たりのエネルギーを相違させることができる。照射するレーザのエネルギー密度は、汎用のレーザ装置においても、容易に変更することができる。従って、特別な装置が必要とされることがなく、工程の簡素化及びそれに伴う省スペース化を図ることができる。

上記の一実施形態において、第２レーザ照射工程におけるレーザの走査速度は、第１レーザ照射工程におけるレーザの走査速度よりも大きくてもよい。第１レーザ照射工程と第２レーザ照射工程との間で、照射するレーザの走査速度を変更することによっても、レーザの照射範囲に与えられる単位面積当たりのエネルギーを相違させることができる。この場合、レーザのエネルギー密度を必ずしも変更する必要はない。レーザの走査速度は、汎用のレーザ装置においても、容易に変更することができる。従って、特別な装置が必要とされることがなく、工程の簡素化及びそれに伴う省スペース化を図ることができる。

本技術の一実施形態において、第１レーザ照射工程では、枠状の支持フレームに沿って、レーザを少なくとも一巡するように走査し、第２レーザ照射工程では、支持フレームの開口部内で枠状に露出する接合体に沿って、レーザを少なくとも一巡するように走査してもよい。この場合、第１レーザ照射工程と第２レーザ照射工程とのそれぞれにおいて、照射されるレーザの軌跡は連続的であってもよいし、断続的であってもよい。但し、レーザの軌跡が途切れることなく連続的に一巡していると、支持フレームと電極シートとの間において、接合体によるシール性を高めることができる。

上記した各々の実施形態において、接合体を枠状に配置する工程では、熱可塑性樹脂で構成されたテープ材を用い、複数のテープ材を枠状に配置することが考えられる。この場合、接合体によるシール性を高めるためには、隣り合うテープ材の間に隙間が生じないように、それらの端部が互いに重なるように配置することが考えられる。しかしながら、２つのテープ材が重なり合う位置では、接合体の厚みが局所的に増大することになり、電極シートや支持フレームに意図しない応力集中が生じるおそれがある。これを避けるためには、隣り合うテープ材が重ならないように、それらのテープ材の間に隙間を設けることが考えられるが、そのような隙間は接合体によるシール性を低下させる要因となる。

上記を鑑みて、本技術の一実施形態では、接合体を枠状に配置する工程が、熱可塑性樹脂で構成された複数の第１テープ材を電解質膜上へ枠状に配置する工程と、熱可塑性樹脂で構成された複数の第２テープ材を複数の第１テープ材上へ枠状に積層する工程とを備えてもよい。この場合、複数の第１テープ材は、互いに第１の隙間を形成しながら配置され、複数の第２テープ材は、第１の隙間とは異なる位置において、互いに第２の隙間を形成しながら配置されてもよい。この場合、特に限定されないが、複数の第１テープ材の各々、及び、複数の第２テープ材の各々は、同一の幅を有する直線形状を有していてもよい。

このような製造方法によると、複数の第１テープ材と複数の第２テープ材とのいずれにおいても、隣り合うテープ材が重なり合うことがないので、電極シートや支持フレームに意図しない応力集中が生じることを避けることができる。また、接合体を複数の第１テープ材と複数の第２テープ材との２層構造で構成することで、各層を構成するテープ材の厚みをそれぞれ小さくすることができ、各層の中で隣り合うテープ材の間に生じる空間も小さくすることができる。さらに、複数の第１テープ材において形成される隙間と、複数の第２テープ材において形成される隙間とは、それらの位置が互いに異なるように形成されるので、それらの隙間が繋がって大きな隙間が形成されることもない。これにより、接合体によるシール性の低下を回避又は抑制することができる。

上記の一実施形態において、第１レーザ照射工程及び第２レーザ照射工程後に実施される熱プレス工程をさらに備えてもよい。熱プレス工程では、支持フレームと電極シートとの間の接合体が再溶融し、支持フレームと電解質膜との間が熱圧着される。この場合、特に限定されないが、電解質膜と支持フレームとの間が熱圧着と同時に、電極シートに対して少なくとも１つのガス拡散層が熱圧着されてもよい。このような製造方法によると、支持フレームと電極シートとを互いに強固に接合できるとともに、それらの間から延出する接合体を電解質膜に溶着させることによって、電極シートの脆弱部をより確実に補強することができる。さらに、電解質膜の表面を接合体（及びその他のガス不透過性を備える構成部材）で覆うことにより、電解質膜に供給される気体（例えば、水素ガス及び酸素ガス）が、電解質膜を透過して他極側へ漏洩することを抑制できる。

本明細書が開示する技術は、燃料電池の他の製造方法にも具現化される。その燃料電池の製造方法は、少なくとも電解質膜を有する電極シートを用意する工程と、前記電解質膜上に、熱可塑性樹脂で構成された接合体を枠状に配置する工程と、前記電解質膜上に配置された前記接合体上に、開口部を有する支持フレームを配置する工程と、前記接合体を溶融して、前記支持フレームと前記電解質膜との間を熱圧着する工程とを備える。前記接合体を枠状に配置する工程は、前記熱可塑性樹脂で構成された複数の第１テープ材を、前記電解質膜上へ枠状に配置する工程と、前記熱可塑性樹脂で構成された複数の第２テープ材を、前記複数の第１テープ材上へ枠状に積層する工程とを備える。前記複数の第１テープ材は、互いに第１の隙間を形成しながら配置され、前記複数の第２テープ材は、前記第１の隙間とは異なる位置において、互いに第２の隙間を形成しながら配置される。

図面を参照して、実施例の燃料電池１０及びその製造方法について説明する。図１に示すように、燃料電池１０は、複数の燃料電池セル１２を備える。各々の燃料電池セル１２は、Ｘ軸及びＺ軸と平行に配置されており、複数の燃料電池セル１２は、Ｙ軸に沿って積層されている。詳しくは後述するが、燃料電池セル１２は、それぞれが単独で発電可能な構成要素である。燃料電池１０は、特に限定されないが、例えば、燃料電池車といった燃料電池を電源とする車両に採用することができる。

図２に示すように、燃料電池セル１２は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｎｄ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＧＡと称する）１４と、支持フレーム１６と、アノード側セパレータ１８と、カソード側セパレータ２０とを備える。ＭＥＧＡ１４は、電極シートの一例であって、その外周を囲む支持フレーム１６によって支持されている。ＭＥＧＡ１４及び支持フレーム１６は、アノード側セパレータ１８とカソード側セパレータ２０との間に配置されている。アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ２０は、例えば、チタンやチタン合金等の金属によって形成される板状部材といった、ガス不透過性の導電性材料により構成される。

図３に示すように、ＭＥＧＡ１４は、電解質膜２２と、アノード触媒層２４と、カソード触媒層２６と、アノードガス拡散層２８と、カソードガス拡散層３０とを備える。電解質膜２２と、アノード触媒層２４と、カソード触媒層２６とは、矩形形状を有している。電解質膜２２は、アノード触媒層２４とカソード触媒層２６との間に配置されており、これら三者により膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下「ＭＥＡ」と称する）３２が形成される。アノードガス拡散層２８及びカソードガス拡散層３０は、矩形形状を有している。ＭＥＡ３２は、アノードガス拡散層２８及びカソードガス拡散層３０との間に配置されており、これら三者によりＭＥＧＡ１４が形成される。電解質膜２２は、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂により形成されたプロトン性のイオン交換膜により構成される。アノード触媒層２４及びカソード触媒層２６は、例えば、白金等の触媒を担持したカーボン粒子同士を樹脂で連結した多孔質材料により構成される。アノードガス拡散層２８及びカソードガス拡散層３０は、例えば、カーボン多孔質体や金属多孔質体といった、ガス透過性を有する導電性材料により構成される。

図４に示すように、電解質膜２２に垂直な方向から見たときに、アノード触媒層２４及びアノードガス拡散層２８の外形は、電解質膜２２の外形と同等の大きさを有する。カソード触媒層２６の外形及びカソードガス拡散層３０の外形は、電解質膜２２の外形よりも小さい。また、カソード触媒層２６の外形は、カソードガス拡散層３０の外形よりも小さい。なお、カソード触媒層２６の外形とカソードガス拡散層３０の外形との大小関係は特に限定されない。即ち、カソード触媒層２６の外形は、カソードガス拡散層３０の外形よりも大きくてもよい。

図４に示すように、支持フレーム１６は、開口部ＯＰを備えた枠形状を有する。電解質膜２２に垂直な方向から見たときに、開口部ＯＰは、カソード触媒層２６の外形及びカソードガス拡散層３０の外形よりも大きい。支持フレーム１６は、コア材１６ａと、コア材１６ａの表面及び裏面に形成される２つの接着層１６ｂ、１６ｃとを備える３層構造を有する。コア材１６ａは、例えば、エポキシ樹脂やフェノール樹脂といった、熱硬化性樹脂により構成される。２つの接着層１６ｂ、１６ｃは、例えば、ポリプロピレン樹脂やエポキシ樹脂といった、熱可塑性樹脂により構成される。支持フレーム１６は、上記の通り、ＭＥＧＡ２２（即ち、電解質膜２２、アノード触媒層２４、カソード触媒層２６、アノードガス拡散層２８、カソードガス拡散層３０）を支持する。なお、コア材１６ａは、例えば、ポリプロピレン樹脂やポリエチレン樹脂といった、熱可塑性樹脂により構成されてもよい。なお、図示省略するが、支持フレーム１６には、アノードガスやカソードガスといった流体が通過する貫通孔や、それらの流体のための流路を形成する凹凸が設けられている。

接合体３４は、例えばオレフィン樹脂といった、熱可塑性樹脂により構成される。そのため、接合体３４は、融点以下では固体である一方、融点以上に加熱されると溶融する。また、溶融した後に融点以下まで冷却されると再び固化し、さらに融点以上まで再加熱されれば再溶融することができる。即ち、接合体３４は、加熱による溶融と、冷却による固化とを繰り返す性質を有する。詳しくは後述するが、接合体３４は、レーザ照射により溶融されることによって、電解質膜２２と支持フレーム１６とを互いに溶着する部材である。また、接合体３４の一部は、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内まで延出し、ＭＥＧＡ１４の電解質膜２２に溶着することによって、電解質膜２２を保護する機能も有する。図示省略するが、接合体３４の内側縁は、カソード触媒層２６に乗り上げてもよく、これにより、不可避的な製造公差が生じる場合においても、電解質膜２２を接合体３４によって確実に覆うことができる。

図５に示すように、電解質膜２２の上面（＋Ｙ方向側の面）２２ａ上には、カソード触媒層２６が配置されている。カソード触媒層２６の外形は電解質膜２２の外形よりも小さいので、カソード触媒層２６の外周は、電解質膜２２の外周よりも内側に位置している。カソード触媒層２６上には、カソードガス拡散層３０が配置されている。カソードガス拡散層３０の外形は、カソード触媒層２６の外形よりも大きいが、電解質膜２２の外形よりも小さいので、カソードガス拡散層３０の外周は、電解質膜２２の外周よりも内側に位置するとともに、カソード触媒層２６の外周よりも外側に位置する。電解質膜２２の上面２２ａには、カソード触媒層２６が存在しない枠形状の第１領域Ａ１が形成されている。第１領域Ａ１には、接合体３４が配置されている。同様に、電解質膜２２の下面（－Ｙ方向側の面）２２ｂ上には、アノード触媒層２４が配置されている。アノード触媒層２４上には、アノードガス拡散層２８が配置されている。電解質膜２２の外形と、アノード触媒層２４の外形と、アノードガス拡散層２８の外形とは、同等の大きさを有するため、それら三者の外周の位置は一致している。

図５に示すように、接合体３４は、電解質膜２２と支持フレーム１６との間に位置しており、それらを互いに接合している。接合体３４の一方の面３４ａ上には、支持フレーム１６が配置されている。支持フレーム１６は、カソードガス拡散層３０の外周を囲んでおり、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内に、カソードガス拡散層３０が位置している。前述したように、接合体３４の一部は、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内まで延出している。従って、接合体３４の一方の面３４ａには、支持フレーム１６が配置された枠形状の第２領域Ａ２と、支持フレーム１６が配置されない枠形状の第３領域Ａ３とが存在する。即ち、接合体３４が配置された第１領域Ａ１は、第２領域Ａ２と、その内側に位置する第３領域Ａ３とに区分することができる。なお、図５における各構成部材の厚さは、理解を図るために便宜的に示したものであり、実際の構成部材の厚みを反映しているわけではない。

図４に示すように、電解質膜２２に垂直な方向から見たときに、第１領域Ａ１は、枠形状を有する。第１領域Ａ１は、接合体３４が配置されている領域と一致し、具体的には、接合体３４の外周から、接合体３４とカソード触媒層２６との境界までの領域である。上記した通り、第２領域Ａ２と第３領域Ａ３とはともに、枠形状を有する。第２領域Ａ２は、接合体３４の外周から支持フレーム１６の開口部ＯＰの内周までの領域である。第３領域Ａ３は、支持フレーム１６の開口部ＯＰの内周から、接合体３４とカソード触媒層２６との境界までの領域である。第２領域Ａ２では、電解質膜２２と支持フレーム１６との間に接合体３４が位置し、接合体３４によって電解質膜２２と支持フレーム１６とが互いに接合されている。第３領域Ａ３では、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内に接合体３４が位置し、接合体３４が電解質膜２２のみに溶着している。詳しくは後述するが、第２領域Ａ２は、第１レーザ照射工程においてレーザが照射される範囲を含み、第３領域Ａ３は、第２レーザ照射工程においてレーザが照射される範囲を含む。

上記した構成では、接合体３４が、第２領域Ａ２において、電解質膜２２と支持フレーム１６との間に位置しており、第３領域Ａ３において、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内に位置している。そのため、第２領域Ａ２では、接合体３４によって電解質膜２２と支持フレーム１６とが互いに接合されており、第３領域Ａ３では、接合体３４がＭＥＧＡ１４の電解質膜２２に溶着することによって、電解質膜２２を保護している。上記のような構成を採用することで、ＭＥＧＡ１４を構成する電解質膜２２と支持フレーム１６とを互い接合するとともに、それらの間から延出する接合体３４を電解質膜２２に溶着させることによって、電解質膜２２のようなＭＥＧＡ１４の脆弱部を補強することができる。

図６－図１３を参照して、燃料電池１０の製造方法を説明する。図６に示すように、まず、電解質膜２２を有するＭＥＧＡ１４又はその半製品を用意する工程が実施される。この工程では、例えば、プレス装置３６を用いて、ＭＥＧＡ１４を構成する層を電解質膜２２の各面へ圧着する。プレス装置３６は、ステージ３６ａと上型３６ｂとを備える。アノード触媒層２４及びアノードガス拡散層２８を電解質膜２２の下面２２ｂに積層させた状態でステージ３６ａ上に配置し、上型３６ｂを下降させることにより、当該三者を圧着する（図６参照）。この場合、電解質膜２２の上面２２ａには、異物の付着を防止するために保護フィルム等を設けるとよい。その後、同様に、カソード触媒層２６を電解質膜２２の上面２２ａに配置した状態で、それらをステージ３６ａ上に設置し、上型３６ｂを下降させることで、カソード触媒層２６を電解質膜２２に圧着する。なお、ＭＥＧＡ１４の構成及びＭＥＧＡ１４を構成する各層の外形の大きさ等によっては、プレス装置３６による圧着の回数や順序等を適宜変更することができる。

次いで、図７に示すように、電解質膜２２上に接合体３４を枠状に配置する工程が実施される。この工程では、例えば、図８に示すような貼付装置３８を用いて、接合体３４を電解質膜２２上に配置する。貼付装置３８は、ロール支持具４０と、ローラ４２とを備える。この場合、接合体３４は、長尺なテープ材４８が環状に巻き取られたロール４４として用意される。詳しくは、図９に示すように、ロール４４から巻き出されたテープ材４８は、熱可塑性樹脂で構成された接合体３４と、その一方の面に配置されたバックシート４６との２層構造を有する。ロール支持具４０及びローラ４２は、各軸４０ａ及び４２ａを中心にそれぞれ回転可能である。ロール４４の内径寸法は、ロール支持具４０の外径寸法とほぼ等しく、ロール４４はロール支持具４０に対して着脱可能に構成されている。なお、接合体３４の幅は、例えば、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であってよい。ただし、接合体３４の幅は燃料電池１０の大きさ及び構成によって適宜変更することができる。

図８を参照して、電解質膜２２上に接合体３４を枠状に配置する工程を段階的に説明する。まず、ロール支持具４０が回転することで、ロール４４で環状に積層されている２層シート４８をローラ４２へ送る。次に、ローラ４２が回転することによって、２層シート４８をステージ（不図示）上に配置されている電解質膜２２に押し付ける。このとき、２層シート４８の電解質膜２２と接する面には、接合体３４が設けられており、２層シート４８のローラ４２と接する面には、バックシート４６が設けられている。そのため、ローラ４２が、２層シート４８を電解質膜２２に押し付けることにより、電解質膜２２に接合体３４を圧着する。その後、接合体３４からバックシート４６を剥離することにより、電解質膜２２上には接合体３４のみが配置される。なお、接合体３４は、電解質膜２２に圧着される前に必要な長さに切断されてもよいし、電解質膜２２に圧着された後に切断されてもよい。また、接合体３４は、他の機能を有する層を備えてもよい。例えば、接合体３４は、電解質膜２２に対して強固に接合する層をさらに備えた２層構造であってもよい。

その後、図１０に示すように、電解質膜２２上に配置された接合体３４上に、支持フレーム１６を配置する工程が実施される。支持フレーム１６は、支持フレーム１６の開口部ＯＰの中心とＭＥＧＡ１４の中心が等しくなるように、電解質膜２２上に配置された接合体３４上に配置される。支持フレーム１６の外形は、ＭＥＧＡ１４を構成する電解質膜２２や接合体３４の外形よりも大きく、支持フレーム１６の開口部ＯＰは、ＭＥＧＡ１４を構成する電解質膜２２や接合体３４の外形よりも小さい。上述したように、支持フレーム１６の開口部ＯＰは、カソード触媒層２６の外形よりも大きいため、支持フレーム１６の開口部ＯＰよりも内側では、支持フレーム１６に覆われない接合体３４が存在する。ただし、支持フレーム１６を、電解質膜２２上に配置された接合体３４上に配置する際、支持フレーム１６の位置は特に限定されない。後の工程において、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内にカソードガス拡散層３０が配置できるように、支持フレーム１６が配置されていればよい。

続いて、図１１に示すように、第１レーザ照射工程が実施される。第１レーザ照射工程では、支持フレーム１６上にレーザＬを照射することによって、支持フレーム１６を介して、電解質膜２２と支持フレーム１６との間に配置された接合体３４を溶融する。これにより、接合体３４を介して、電解質膜２２と支持フレーム１６とを互いに溶着する。第１レーザ照射工程におけるレーザＬの照射軌跡（以下「第１レーザ照射軌跡」と称することがある）Ｌ１は、図１２に示すように、第２領域Ａ２内に含まれる。なお、第１レーザ照射工程におけるレーザＬの照射軌跡Ｌ１は、第１レーザ照射工程におけるレーザＬの照射範囲の一例である。この場合、特に限定されないが、本実施例の製造方法では、枠状の支持フレーム１６に沿って、レーザＬを少なくとも一巡するように走査する。即ち、第１レーザ照射軌跡Ｌ１は、第２領域Ａ２内において、支持フレーム１６の開口部ＯＰの外周を少なくとも一巡している。

その後、同様に、図１３に示すように、第２レーザ照射工程を実施する。第２レーザ照射工程では、電解質膜２２と支持フレーム１６との間に配置された接合体３４を溶融する。支持フレーム１６の開口部ＯＰ内に位置する接合体３４上にレーザＬを照射することによって、接合体３４を溶融する。これにより、接合体３４を電解質膜２２に溶着させる。第２レーザ照射工程におけるレーザＬの照射軌跡（以下「第２レーザ照射軌跡」と称することがある）Ｌ２は、図１４に示すように、第３領域Ａ３内に含まれる。なお、第２レーザ照射工程におけるレーザＬの照射軌跡Ｌ２は、第２レーザ照射工程におけるレーザＬの照射範囲の一例である。この場合、特に限定されないが、本実施例の製造方法では、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内で枠状に露出する接合体３４に沿って、レーザＬを少なくとも一巡するように走査する。即ち、第２レーザ照射軌跡Ｌ２は、第３領域Ａ３内において、支持フレーム１６の開口部ＯＰの内周かつ、カソード触媒層２６の外周を少なくとも一巡している。なお、第１レーザ照射軌跡Ｌ１と第２レーザ照射軌跡Ｌ２とは、それぞれが独立した軌跡である必要はなく、一連の軌跡であってもよい。さらに、各レーザ照射軌跡Ｌ１、Ｌ２は、連続的であってもよいし、断続的であってもよい。また、第１レーザ照射工程と第２レーザ照射工程とを実施する順序は特に限定されない。即ち、本実施例のように第１レーザ照射工程の後に第２レーザ照射工程を行ってもよいし、第２レーザ照射工程の後に第１レーザ照射工程を行ってもよい。

上記した製造方法では、支持フレーム１６上にレーザＬを照射する第１レーザ照射工程と、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内に位置する接合体３４上にレーザＬを照射する第２レーザ照射工程とを備える。第１レーザ照射工程では、支持フレーム１６とＭＥＧＡ１４に含まれる電解質膜２２との間に位置する接合体３４を溶融させることで、電解質膜２２と支持フレーム１６とを互いに溶着する。第２レーザ照射工程では、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内に位置する接合体３４を溶融させることで、接合体３４を電解質膜２２に溶着させる。レーザＬの照射を用いることで、支持フレーム１６と電解質膜２２との間に位置する部分だけでなく、支持フレーム１６の開口部ＯＰ内に位置する部分も含めて、接合体３４の任意の位置を選択的に溶融させることができる。これにより、支持フレーム１６と電解質膜２２とを互い接合するとともに、それらの間から延出する接合体３４を電解質膜２２に溶着させることによって、電解質膜２２といったＭＥＧＡ１４の脆弱部を補強することができる。

一例ではあるが、第２レーザ照射軌跡Ｌ２に与えられる単位面積当たりのエネルギーは、第１レーザ照射軌跡Ｌ１に与えられる単位面積当たりのエネルギーよりも小さい。第１レーザ照射工程では、支持フレーム１６を介して接合体３４にレーザＬを照射することで、接合体３４を溶融させる必要がある。一方、第２レーザ照射工程では、支持フレーム１６を介することなく、接合体３４にレーザＬを直接的に照射することができ、接合体３４を容易に溶融させることができる。即ち、接合体３４を溶融させるのに要する単位面積当たりのエネルギーは、第２レーザ照射工程の方が、第１レーザ照射工程よりも小さい。本変形例の製造方法を採用すると、第１レーザ照射工程と第２レーザ照射工程とのそれぞれにおいて、接合体３４を過不足なく加熱することができる。なお、第１レーザ照射軌跡Ｌ１及び第２レーザ照射軌跡Ｌ２に与えられる単位面積当たりのエネルギーを相違させるためには、照射するレーザＬのエネルギー密度を変更することができる。照射するレーザＬのエネルギー密度を変更することに代えて、又は加えて、レーザＬの走査速度を変更することによっても、各レーザ照射軌跡Ｌ１、Ｌ２に与えられる単位面積当たりのエネルギーを相違させることができる。

図１５に示すように、第１レーザ照射工程及び第２レーザ照射工程が実施された後は、熱プレス工程が実施される。熱プレス工程では、支持フレーム１６に固定されたＭＥＧＡ１４又はその半製品を熱プレスすることで、支持フレーム１６とＭＥＧＡ１４との間の接合体３４が再溶融し、支持フレーム１６と電解質膜２２との間が強固に熱圧着される。加えて、この熱プレス工程では、ＭＥＧＡ１４のカソード触媒層２６上に、カソードガス拡散層３０が配置され、カソード触媒層２６とカソードガス拡散層３０との間の熱圧着も同時に実施される。一例ではあるが、熱プレス工程は、図１５に示すプレス装置５０を用いて実施することができる。プレス装置５０は、ステージ５０ａと上型５０ｂとを備える。特に限定されないが、カソード触媒層２６及び接合体３４上に、カソードガス拡散層３０が配置された状態で、ステージ５０ａ上に配置し、上型５０ｂを下降させる。これにより、支持フレーム１６と電解質膜２２との間の接合体３４が再溶融し、接合体３４を介して電解質膜２２と支持フレーム１６との間が熱圧着される。

その後、他の必要な工程が実施されることで、支持フレーム１６に固定されたＭＥＧＡ１４が完成する。完成したＭＥＧＡ１４は、アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ２０とともに積層されることで、燃料電池１０を構成する。

上記した製造方法において、テープ状の接合体３４を、電解質膜２２上へ枠状に配置する工程では、接合体３４の伸びや皺を避けるために、テープ状の接合体３４を適宜切断しながら、それぞれの接合体３４を直線的に配置するとよい。この場合、接合体３４によるシール性を高めるために、隣り合うテープ状の接合体３４を隙間なく、かつ、それらが重畳しないように配置することが考えられる。しかしながら、製造公差を考慮すると、隣り合うテープ状の接合体３４を隙間なく正確に配置することは難しい。そこで、他の一実施形態として、接合体３４を枠状に配置する工程が、複数の第１テープ材５２を電解質膜２２上へ枠状に配置する工程と、複数の第２テープ材５４を複数の第１テープ材５２上へ枠状に積層する工程とを備えてもよい。第１テープ材５２及び第２テープ材５４は、燃料電池１０において接合体３４となる材料の一例であり、接合体３４と同様に、例えばオレフィン樹脂といった、熱可塑性樹脂より構成される。ここで、第１テープ材５２と第２テープ材５４とは、同一の材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。特に限定されないが、例えば、第１テープ材５２として、電解質膜２２と強固に接合する材質が採用され、第２テープ材５４として、支持フレーム１６と強固に接合する材質が採用されてもよい。

図１６に示すように、複数の第１テープ材５２は、互いに第１の隙間５６を形成しながら配置される。複数の第１テープ材５２の各々は、同一の幅を有する直線形状を有する。複数の第１テープ材５２は、電解質膜２２の長手方向に沿って配置される一対の第１テープ材５２と、電解質膜２２の短手方向に沿って配置される一対の第１テープ材５２とを含む。この場合、電解質膜２２の長手方向に沿って配置される一対の第１テープ材５２の長さは、電解質膜２２の長手方向における長さと製造公差内で一致している。ここでいう製造公差内とは、設計値に対して±５％の範囲内のことをいう。電解質膜２２の短手方向に沿って配置される一対の第１テープ材５２の長さは、電解質膜２２の短手方向における長さよりも短く、電解質膜２２上に配置されたときに、隣接する一対の第１テープ材５２との間に第１の隙間５６が設けられる長さである。そのため、電解質膜２２の短手方向に沿って配置される一対の第１テープ材５２の端と、それに隣接する一対の第１テープ材５２の長手方向の端部との間には、第１の隙間５６が形成される。第１の隙間５６は、特に限定されないが、小さいほど好ましく、例えば第１テープ材５２よりも小さいとよく、さらには当該幅の１／５以下であるとよい。なお、複数の第１テープ材５２の各々は、異なる幅を有する直線形状を有していてもよい。例えば、電解質膜２２の長手方向に沿って配置される一対の第１テープ材５２と、電解質膜２２の短手方向に沿って配置される一対の第１テープ材５２とは、異なる幅を有していてもよい。

その後、図１７に示すように、複数の第２テープ材５４は、第１の隙間５６とは異なる位置において、互いに第２の隙間５８を形成しながら配置される。複数の第２テープ材５４の各々は、同一の幅を有する直線形状を有する。複数の第２テープ材５４は、電解質膜２２の長手方向に沿って配置される一対の第２テープ材５４と、電解質膜２２の短手方向に沿って配置される一対の第２テープ材５４とを含む。この場合、電解質膜２２の短手方向に沿って配置される一対の第２テープ材５４の長さは、電解質膜２２の短手方向における長さと製造公差内で一致している。ここでいう製造公差内とは、設計値に対して±５％の範囲内のことをいう。電解質膜２２の長手方向に沿って配置される一対の第２テープ材５４の長さは、電解質膜２２の長手方向における長さよりも短く、第１テープ材５２（又は電解質膜２２）上に配置されたときに、隣接する一対の第２テープ材５４との間に第２の隙間５８が設けられる長さである。そのため、電解質膜２２の長手方向に沿って配置される一対の第２テープ材５４の端と、それに隣接する一対の第２テープ材５４の短手方向の端部との間には、第２の隙間５８が形成される。第２の隙間５８は、特に限定されないが、小さいほど好ましく、例えば第２テープ材５４の幅よりも小さいとよく、さらには当該幅の１／５以下であるとよい。なお、複数の第２テープ材５４の各々は、異なる幅を有する直線形状を有していてもよい。例えば、電解質膜２２の長手方向に沿って配置される一対の第２テープ材５４と、電解質膜２２の短手方向に沿って配置される一対の第２テープ材５４とは、異なる幅を有していてもよい。

このような製造方法によると、複数の第１テープ材５２と複数の第２テープ材５４とのいずれにおいても、隣り合うテープ材５２、５４が重ならないため、ＭＥＧＡ１４中の電解質膜２２や支持フレーム１６に意図しない応力集中が生じることを回避できる。また、接合体３４を第１テープ材５２と第２テープ材５４との２層構造で構成することで、各層を構成するテープ材５２、５４の厚みをそれぞれ小さくすることができ、各層の中で隣り合うテープ材５２、５４の間に生じる空間も小さくすることができる。即ち、各テープ材５２、５４の厚みを小さくすることにより、各テープ材５２、５４が配置されている部分と配置されていない部分（各隙間５６、５８）とで、各テープ材５２、５４の厚さ方向の差を小さくすることができる。さらに、複数の第１テープ材５２において形成される第１の隙間５６と、複数の第２テープ材５４において形成される第２の隙間５８とは、それらの位置が互いに異なるように形成されるので、２つの隙間５６、５８繋がって大きな隙間が形成されることもない。これにより、接合体３４によるシール性の低下を回避又は抑制することができる。

第１テープ材５２及び第２テープ材５４が配置された後は、前述したように、ＭＥＧＡ１４又はその半製品上に支持フレーム１６を配置して、第１レーザ照射工程及び第２レーザ照射工程が実施される。その後、熱プレス工程が実施される。図１８に示すように、熱プレス工程前は、複数の第２テープ材５４は、互いに第２の隙間５８を形成している。ここでは、便宜上、説明に必要な第１テープ材５２及び第２テープ材５４の２層構造を有する接合体３４を抜き出して図示している。接合体３４は、厚さｔを有し、例えば、第１テープ材５２及び第２テープ材５４は、互い等しい厚さ０．５ｔを有する。この場合、第１テープ材５２と第２テープ材５４とが積層している部分は、２つのテープ材５２、５４の合計の厚さｔを有する。その一方、第２の隙間５８が設けられているとともに、第１テープ材５２のみが配置されている部分は、第１テープ材５２の厚さ０．５ｔを有する。なお、特に限定されないが、接合体３４は、５μｍ以上２０μｍ以下の厚さを有してもよく、各テープ材５２、５４は、２．５μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有してもよい。

その後、熱プレス工程が実施されると、図１９に示すように、熱可塑性材料で構成される各テープ材５２、５４が再溶融し、第２の隙間５８に流れ込むことで、複数の第２テープ材５４が互いに接合する。熱プレス工程の前後では、各テープ材５２、５４の厚さは、ほとんど変化しない。言い換えると、第１テープ材５２と第２テープ材５４とが積層している部分は、２つのテープ材５２、５４の合計の厚さ略ｔを有する。その一方で、第２の隙間５８が設けられていた部分では、熱プレス工程が実施されることにより、各テープ材５２、５４が再溶融し、第２の隙間５８に流れ込むため、複数の第２テープ材５４が互いに接合する。そのため、第２の隙間５８が設けられていた部分は、２つのテープ材５２、５４の合計の厚さよりも薄くなり、例えば略０．８ｔの厚さを有する。即ち、第２の隙間５８が設けられていた部分の接合体３４の厚さは、第１テープ材５２の厚さ０．５ｔから２つのテープ材５２、５４の合計の厚さ略０．８ｔまで増加する。これにより、第２テープ材５４の有無による接合体３４の厚さの差を小さくすることができる。なお、図示省略するが、複数の第１テープ材５２間に形成される第１の隙間５６についても、熱プレス工程における熱圧着により、各テープ材５２、５４が再溶融し、複数の第１テープ材５２が互いに接合するため、同様の効果が得られる。

このような製造方法によると、支持フレーム１６と電解質膜２２とを互いに強固に接合できるとともに、それらの間から延出する接合体３４を電解質膜２２に溶着させることによって、電解質膜２２のようなＭＥＧＡ１４の脆弱部をより確実に補強できる。さらに、電解質膜２２の表面を第１テープ材５２及び第２テープ材５４と、アノード触媒層２４と、カソード触媒層２６とで覆うことにより、電解質膜２２に供給される気体（例えば、水素ガス及び酸素ガス）が、電解質膜２２を透過して他極側へ漏洩することを抑制できる。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは組み合わせによって技術的有用性を発揮するものである。

１０ ：燃料電池
１２ ：燃料電池セル
１６ ：支持フレーム
２２ ：電解質膜
２４ ：アノード触媒層
２６ ：カソード触媒層
２８ ：アノードガス拡散層
３０ ：カソードガス拡散層
３４ ：接合体
３６ ：プレス装置
３８ ：貼付装置
５０ ：プレス装置
５２ ：第１テープ材
５４ ：第２テープ材
５６ ：第１の隙間
５８ ：第２の隙間
Ｌ ：レーザ
Ｌ１ ：第１レーザ照射軌跡
Ｌ２ ：第２レーザ照射軌跡
ＯＰ ：開口部

Claims (10)

1. 燃料電池の製造方法であって、
   電解質膜と、前記電解質膜の上面に配置されている第１触媒層と、前記電解質膜の下面に配置されている第２触媒層とを有し、前記電解質膜の前記上面には、前記電解質膜の外周と前記第１触媒層の外周との間に、前記第１触媒層が存在しない枠形状の第１領域が形成された電極シートを用意する工程と、
   前記電解質膜の前記上面の前記第１領域上に、熱可塑性樹脂で構成された接合体を枠状に配置する工程と、
   前記電解質膜の前記上面の前記第１領域上に配置された前記接合体上に、開口部を有する支持フレームを配置する工程と、
   前記支持フレーム上にレーザを照射して前記接合体を溶融し、前記電解質膜と前記支持フレームとを互いに溶着する第１レーザ照射工程と、
   前記支持フレームの前記開口部内に位置する前記接合体上にレーザを照射して前記接合体を溶融し、前記接合体を前記電解質膜に溶着させる第２レーザ照射工程と、
   を備える製造方法。
2. 前記第２レーザ照射工程において前記レーザの照射範囲に与えられる単位面積当たりのエネルギーは、前記第１レーザ照射工程において前記レーザの照射範囲に与えられる前記単位面積当たりのエネルギーよりも小さい、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記第２レーザ照射工程における前記レーザのエネルギー密度は、前記第１レーザ照射工程における前記レーザのエネルギー密度よりも小さい、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記第２レーザ照射工程における前記レーザの走査速度は、前記第１レーザ照射工程における前記レーザの走査速度よりも大きい、請求項２又は３に記載の製造方法。
5. 前記第１レーザ照射工程では、枠状の前記支持フレームに沿って、前記レーザを少なくとも一巡するように走査し、
   前記第２レーザ照射工程では、前記支持フレームの前記開口部内で枠状に露出する前記接合体に沿って、前記レーザを少なくとも一巡するように走査する、請求項１から４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 前記接合体を枠状に配置する工程は、
   前記熱可塑性樹脂で構成された複数の第１テープ材を、前記電解質膜の前記上面の前記第１領域上へ枠状に配置する工程と、
   前記熱可塑性樹脂で構成された複数の第２テープ材を、前記複数の第１テープ材上へ枠状に積層する工程と、を備え、
   前記複数の第１テープ材は、互いに第１の隙間を形成しながら配置され、
   前記複数の第２テープ材は、前記第１の隙間とは異なる位置において、互いに第２の隙間を形成しながら配置される、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の製造方法。
7. 前記複数の第１テープ材の各々、及び、前記複数の第２テープ材の各々は、同一の幅を有する直線形状を有する、請求項６に記載の製造方法。
8. 前記第１レーザ照射工程及び前記第２レーザ照射工程後に実施される熱プレス工程をさらに備え、
   前記熱プレス工程では、前記支持フレームと前記電極シートとの間の前記接合体が再溶融し、前記支持フレームと前記電解質膜との間が熱圧着される、請求項６又は７に記載の製造方法。
9. 前記熱プレス工程では、前記支持フレームと前記電解質膜との間の熱圧着と同時に前記電極シートに対して少なくとも１つのガス拡散層が熱圧着される、請求項８に記載の製造方法。
10. 燃料電池の製造方法であって、
    電解質膜と、前記電解質膜の上面に配置されている第１触媒層と、前記電解質膜の下面に配置されている第２触媒層とを有し、前記電解質膜の前記上面には、前記電解質膜の外周と前記第１触媒層の外周との間に、前記第１触媒層が存在しない枠形状の第１領域が形成された電極シートを用意する工程と、
    前記電解質膜の前記上面の前記第１領域上に、熱可塑性樹脂で構成された接合体を枠状に配置する工程と、
    前記電解質膜の前記上面の前記第１領域上に配置された前記接合体上に、開口部を有する支持フレームを配置する工程と、
    前記接合体を溶融して、前記支持フレームと前記電解質膜との間を熱圧着する工程と、を備え、
    前記接合体を枠状に配置する工程は、
    前記熱可塑性樹脂で構成された複数の第１テープ材を、前記電解質膜の前記上面の前記第１領域上へ枠状に配置する工程と、
    前記熱可塑性樹脂で構成された複数の第２テープ材を、前記複数の第１テープ材上へ枠状に積層する工程と、を備え、
    前記複数の第１テープ材は、互いに第１の隙間を形成しながら配置され、
    前記複数の第２テープ材は、前記第１の隙間とは異なる位置において、互いに第２の隙間を形成しながら配置される、
    製造方法。

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