(57)【要約】【課題】接着剤層の形成を容易としつつ、支持フレームの位置ずれを抑制する。【解決手段】膜電極接合体５とガス拡散層３ｃ、３ａと支持フレーム２とを備え、支持フレーム２が支持フレーム本体２０と熱可塑性の接着剤被覆層２１、２２とを含む燃料電池単セルの製造方法である。その製造方法は、ガス拡散層が配置された膜電極接合体の外周縁部５２ｅ上に、所定波長の紫外線硬化性の接着剤で接着剤層１０を形成する工程と、接着剤層に所定波長の紫外線を照射する工程と、接着剤層上に支持フレームを配置して、支持フレームを接着剤層により保持する工程と、支持フレームの接着剤被覆層が溶けて接着剤層と接着されるように支持フレームを加熱する工程と、を備える。接着剤層に紫外線を照射するとき、接着剤層がその後に配置される支持フレームを保持できるように接着剤層に所定波長の紫外線を照射する。【選択図】図１
2016162650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置されたガス拡散層と、前記膜電極接合体の外周において前記膜電極接合体を支持する支持フレームとを備えた燃料電池単セルの製造方法であって、
前記支持フレームは、
支持フレーム本体と、
前記支持フレーム本体の両側に形成され、熱可塑性を有する接着剤被覆層と、
を含み、
前記燃料電池セルの製造方法は、
前記膜電極接合体の一側面上に外周縁部が残るように前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体を準備する工程と、
前記外周縁部上に、所定波長での紫外線硬化性を有する接着剤で接着剤層を形成する工程と、
前記接着剤層に前記所定波長の紫外線を照射する工程と、
紫外線が照射された前記接着剤層上に前記支持フレームの一側の前記接着剤被覆層を配置すると共に、前記支持フレームを前記接着剤層により保持する工程と、
前記支持フレームの一側の前記接着剤被覆層が溶けて前記接着剤層と接着されるように前記支持フレームを加熱する工程と、
を備え、
前記接着剤層に紫外線を照射する工程において、前記接着剤層がその後に配置される前記支持フレームを保持できる状態になるように前記接着剤層に前記所定波長の紫外線を照射する、
燃料電池単セルの製造方法。
【請求項２】
前記支持フレームを加熱する工程は、
前記支持フレームと前記膜電極接合体とが互いに押し合うように加圧しながら加熱する工程を含む、
請求項１に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項３】
前記接着剤被覆層の融点は、前記接着剤層のガラス転移点よりも低い、
請求項１又は２に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項４】
前記支持フレームを加熱する工程において、前記支持フレームを加熱するときの加熱温度は、前記接着剤被覆層の融点より高く、前記接着剤層のガラス転移点よりも低い、
請求項３に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項５】
前記接着剤は、ラジカル重合性樹脂を用いた紫外線硬化型接着剤である、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項６】
前記燃料電池単セルは、
周縁部分において前記支持フレームに固定され、中心部分において前記ガス拡散層に当接するセパレータを前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の両側に更に備え、
前記支持フレームの一側における前記接着剤被覆層の内側部分が前記接着剤層上に配置され、
前記燃料電池単セルの製造方法は、
前記支持フレームの一側の前記接着剤被覆層における前記接着剤層と接する前記内側部分とは逆の外側部分が前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の一側の前記セパレータの前記周縁部分に接し、前記支持フレームの他側の前記接着剤被覆層が前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の他側の前記セパレータの前記周縁部分に接するように、前記セパレータを配置する工程と、
前記支持フレームの両側の前記接着剤被覆層が溶けて前記周縁部分と接着するように前記支持フレームを加熱する工程と、
を更に備える
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項７】
前記膜電極接合体の前記一側面はカソード極側面である、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池単セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の両側に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置されたガス拡散層と、前記膜電極接合体の外周において前記膜電極接合体を支持する支持フレームとを備えた燃料電池単セルの製造方法であって、前記支持フレームは、紫外線が透過し難い樹脂で形成され、前記燃料電池セルの製造方法は、前記膜電極接合体の一側面上に外周縁部が残るように前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体を準備する工程と、前記外周縁部上に、熱可塑性を有する接着剤で接着剤層を形成する工程と、前記接着剤層上に前記支持フレームの一側を配置する工程と、前記接着剤層が溶けて前記接着剤層と前記支持フレームとが接着されるようにホットプレス処理をする工程と、を備える燃料電池単セルの製造方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０２９８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記燃料電池単セルの製造方法において、膜電極接合体の外周縁部上に形成された接着剤層上に支持フレームを配置して、膜電極接合体と支持フレームとを接着する場合、接着剤層の粘度が低いと、支持フレームを適正な位置に配置したとても、接着剤が硬化する前に、支持フレームがその位置からずれるおそれがある。それに対処するために接着剤層の粘度を高くすると、接着剤層を外周縁部に塗布により形成することが困難になる。接着剤層の形成の容易性を確保しつつ、支持フレームの位置ずれを抑制可能な技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、電解質膜の両側に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置されたガス拡散層と、前記膜電極接合体の外周において前記膜電極接合体を支持する支持フレームとを備えた燃料電池単セルの製造方法であって、前記支持フレームは、支持フレーム本体と、前記支持フレーム本体の両側に形成され、熱可塑性を有する接着剤被覆層と、を含み、前記燃料電池セルの製造方法は、前記膜電極接合体の一側面上に外周縁部が残るように前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体を準備する工程と、前記外周縁部上に、所定波長での紫外線硬化性を有する接着剤で接着剤層を形成する工程と、前記接着剤層に前記所定波長の紫外線を照射する工程と、紫外線が照射された前記接着剤層上に前記支持フレームの一側の前記接着剤被覆層を配置すると共に、前記支持フレームを前記接着剤層により保持する工程と、前記支持フレームの一側の前記接着剤被覆層が溶けて前記接着剤層と接着されるように前記支持フレームを加熱する工程と、を備え、前記接着剤層に紫外線を照射する工程において、前記接着剤層がその後に配置される前記支持フレームを保持できる状態になるように前記接着剤層に前記所定波長の紫外線を照射する、燃料電池単セルが提供される。
【発明の効果】
【０００６】
接着剤層の形成の容易性を確保しつつ、支持フレームの位置ずれを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】燃料電池単セルを含む燃料電池スタックの構成例を示す部分断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図４】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図５】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図６】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図７】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図８】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図９】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は燃料電池単セル１を含む燃料電池スタックＡの構成例を示す部分断面図であり、図２はその部分拡大図である。図１に示すように、燃料電池スタックＡは、複数の燃料電池単セル１が燃料電池単セル１の厚み方向Ｓに圧縮状態で積層された積層体により形成される。燃料電池単セル１は、燃料ガス（例示：水素ガス）と酸化剤ガス（例示：空気）との電気化学反応により電力を発生する。燃料電池単セル１で発生された電力は、積層体の両端に配置されたターミナルプレート（図示せず）から燃料電池スタックＡの外部に到る複数の配線（図示せず）を介して燃料電池スタックＡの外部に取り出される。燃料電池スタックＡから取り出された電力は例えば電動車両の駆動用電気モータ又は蓄電器に供給される。
【０００９】
燃料電池単セル１は、膜電極接合体５を備えている。膜電極接合体５は、電解質膜５ｅと、電解質膜５ｅの両側に形成されたカソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａとを備えている。電解質膜５ｅ、カソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａはほぼ同じ大きさを有する。電解質膜５ｅの両側にカソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａが配置されて膜電極接合体５が形成されたとき、電解質膜５ｅ、カソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａはほぼ重なる。図示しない別の実施例では、カソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａの少なくとも一方が電解質膜５ｅよりも小さい。
【００１０】
電解質膜５ｅの材料としては、例えばパーフルオロスルホン酸のようなイオン伝導性を有するフッ素系の高分子膜が挙げられる。カソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａの材料としては、例えば白金又は白金合金のような触媒を担持した触媒担持カーボンが挙げられる。図示しない別の実施例では、触媒担持カーボンに電解質膜５ｅと同様の材料のアイオノマーが更に加えられる。
【００１１】
膜電極接合体５の一側面５２上、すなわちカソード電極触媒層５ｃ上にはカソードガス拡散層３ｃが配置され、それによりカソードガス拡散層３ｃが膜電極接合体５に電気的に接続される。また、膜電極接合体５の他側面５１上、すなわちアノード電極触媒層５ａ上にはアノードガス拡散層３ａが配置され、それによりアノードガス拡散層３ａが膜電極接合体５に電気的に接続される。カソードガス拡散層３ｃは膜電極接合体５よりも一回り小さい大きさを有する。膜電極接合体５の一側面５２上にカソードガス拡散層３ｃが配置されたとき、カソードガス拡散層３ｃの周囲における膜電極接合体５の一側面５２に外周縁部５２ｅが枠状に形成される。一方、アノードガス拡散層３ａは膜電極接合体５とほぼ同じ大きさを有する。膜電極接合体５の他側面５１上にアノードガス拡散層３ａが配置されたとき、膜電極接合体５とアノードガス拡散層３ａとはほぼ重なる。
【００１２】
カソードガス拡散層３ｃ及びアノードガス拡散層３ａの材料としては、導電性を有する多孔体、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボンのようなカーボン多孔体が挙げられる。別の実施例では、導電性を有する多孔体として、例えば金属メッシュ、発泡金属のような金属多孔体が挙げられる。更に別の実施例では、ポリテトラフルオロエチレンのような撥水性の強い材料が上記多孔体に多孔性が失われない程度に含浸される。更に別の実施例では、撥水性の強い材料とカーボン粒子との混合層が上記多孔体の一側面に形成される。
【００１３】
外周縁部５２ｅ上には接着剤層１０が形成される。接着剤層１０は外周縁部５２ｅと同様の枠状に形成される。図２に示す実施例では、接着剤層１０は外周縁部５２ｅを覆うように外周縁部５２ｅの全面に形成される。接着剤層１０は、外周縁部５２ｅのうち平面方向の外側に位置する外側部分３２と、外周縁部５２ｅのうち平面方向の内側に位置する内側部分３１とを有する。内側部分３１の内側の端部３１ｅはカソードガス拡散層３ｃの外側部分３ｃｅと接する。
【００１４】
接着剤層１０は、紫外線で硬化する紫外線（ＵＶ）硬化性を有する接着剤で形成される。更に、図２に示す実施例では、接着剤層１０は、紫外線を照射され、少なくとも形状を保持できる程度に硬化したとき、粘着性を有する接着剤で形成される。接着剤層１０に粘着性を持たせる方法としては、例えば紫外線の照射時間及び光量を調整して接着剤層１０を完全に硬化させない方法や、接着剤層１０の材料に粘着付与剤（タッキファイヤー）のような副成分を添加する方法が挙げられる。このような接着剤層１０の材料としては、ラジカル重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤が用いられる。例えばＵＶ硬化ポリイソブチレン系樹脂の接着剤、ＵＶ硬化エポキシ系樹脂の接着剤、ＵＶ硬化アクリル系樹脂の接着剤が挙げられる。副成分、例えば粘着付与剤を用いる場合、粘着付与剤の材料としてはテルペン系樹脂が挙げられる。図示しない別の実施例では、接着剤層１０は、更に熱硬化性を有する接着剤を含む。接着剤層１０用の接着剤の塗布用法としては、例えばスクリーン印刷法や、ディスペンサを用いる方法が挙げられる。
【００１５】
接着剤層１０上には支持フレーム２が配置される。支持フレーム２は、枠形状を有し、カソードガス拡散層３ｃ及びアノードガス拡散層３ａを備える膜電極接合体５を膜電極接合体５の外周において支持する。図２に示す実施例では、支持フレーム２の一側の内側部分２ｅが接着剤層１０の外側部分３２上に接着されることにより、支持フレーム２の内側部分２ｅが膜電極接合体５の外周縁部５２ｅに接着される。支持フレーム２の内側部分２ｅが外周縁部５２ｅに接着したとき、支持フレーム２の内側部分２ｅとカソードガス拡散層３ｃの外側部分３ｃｅとの間に隙間Ｇが形成される。すなわち、支持フレーム２は、カソードガス拡散層３ｃと離間して配置される。
【００１６】
支持フレーム２は、支持フレーム本体２０と、支持フレーム本体２０の両側に形成された接着剤被覆層２１、２２とを含んでいる。図示しない別の実施例では、接着剤被覆層２２は接着剤層１０と接する部分のみに形成され、接着剤被覆層２１は形成されない。
【００１７】
支持フレーム本体２０は電気絶縁性及び気密性を有する材料で形成される。支持フレーム本体２０の材料としては、エンジニアリングプラスチックが挙げられる。エンジニアリングプラスチックとしては、例えばポリエチレンナフタレート系樹脂（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフテラート系樹脂（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド系樹脂（ＰＰＳ）及びシンジオタクチックポリスチレン系樹脂（ＳＰＳ）が挙げられる。図示しない別の実施例では、支持フレーム本体２０の材料としてはポリプロピレン系樹脂（ＰＰ）のような汎用プラスチックが挙げられる。
【００１８】
接着剤被覆層２１、２２は、支持フレーム本体２０、カソードセパレータ４ｃ、アノードセパレータ４ａ及び接着剤層１０に接着可能であり、熱可塑性を有する接着剤で形成される。接着剤被覆層２１、２２の材料としては、酢酸ビニル系樹脂の接着剤、ポリビニルアルコール系樹脂の接着剤、エチレン酢酸ビニル系樹脂の接着剤、塩化ビニル系樹脂の接着剤、アクリル系樹脂の接着剤、ポリアミド系樹脂の接着剤、セルロース系樹脂の接着剤、ポリビニルピロリドン系樹脂の接着剤、ポリスチレン系樹脂の接着剤、シアノアクリレート系樹脂の接着剤、ポリビニルアセタール系樹脂の接着剤などの中から支持フレーム本体２０、両セパレータ４ｃ、４ａ及び接着剤層１０の材料に応じて適宜選択される。
【００１９】
図２に示す実施例では、支持フレーム本体２０の材料として、ポリエチレンナフタレート系樹脂が用いられる。ところが、ポリエチレンナフタレート系樹脂やポリエチレンテレフテラート系樹脂は、燃料電池単セル１の強い酸性雰囲気により劣化するおそれがある。したがって、そのような材料を用いる場合には、支持フレーム本体２０の端部２０ｅには、端部２０ｅを強い酸性雰囲気から保護する接着剤保護層２３が形成されることが好ましい。接着剤保護層２３の材料としては、端部２０ｅを強い酸性雰囲気から保護可能な材料であれば特に制限はないが、例えば接着剤被覆層２１、２２と同じ材料や、接着剤層１０と同じ材料が挙げられる。なお、支持フレーム本体２０の両側は接着剤被覆層２１、２２で保護されているので、燃料電池単セル１の強い酸性雰囲気で劣化することはない。
【００２０】
カソードガス拡散層３ｃ及びアノードガス拡散層３ａを備える膜電極接合体５と支持フレーム２の両側には、それらを挟持する一対のカソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａが配置されている。
【００２１】
カソードセパレータ４ｃの一側の周縁部分４ｃｅは支持フレーム２の他側に接着剤被覆層２１で接着されて固定される。カソードセパレータ４ｃの一側の周縁部分４ｃｅよりも内側の中央部分４ｃｍはカソードガス拡散層３ｃに当接し、それによりカソードセパレータ４ｃはカソードガス拡散層３ｃに電気的に接続される。接着剤被覆層２１は、燃料電池単セル１のカソード極側を外部からシールする。カソードセパレータ４ｃの中央部分４ｃｍには、酸化剤ガス供給路用の複数の溝が設けられ、それらの溝とカソードガス拡散層３ｃとにより図１に示すように複数の酸化剤ガス供給路８が形成される。複数の酸化剤ガス供給路８から供給される酸化剤ガスがカソードガス拡散層３ｃを介して膜電極接合体５へ供給される。接着剤被覆層２１が形成されない図示しない別の実施例では、カソードセパレータ４ｃの一側の周縁部分４ｃｅと支持フレーム２とは例えば周縁部分４ｃｅに形成された別の接着剤層で互いに固定される。
【００２２】
一方、アノードセパレータ４ａの一側の周縁部分４ａｅは支持フレーム２の一側に接着剤被覆層２２で接着されて固定される。アノードセパレータ４ａの一側の周縁部分４ａｅよりも内側の中央部分４ａｍはアノードガス拡散層３ａに当接し、それによりアノードセパレータ４ａはアノードガス拡散層３ａに電気的に接続される。接着剤被覆層２２は、燃料電池単セル１のアノード極側を外部からシールする。アノードセパレータ４ａの中央部分４ａｍには、燃料ガス供給路用の複数の溝が設けられ、それらの溝とアノードガス拡散層３ａとにより図１に示すように複数の燃料ガス供給路９が形成される。複数の燃料ガス供給路９から供給される燃料ガスがアノードガス拡散層３ａを介して膜電極接合体５へ供給される。接着剤被覆層２２が接着剤層１０と接する部分のみに形成される図示しない別の実施例では、アノードセパレータ４ａの一側の周縁部分４ａｅと支持フレーム２とは例えば周縁部分４ａｅに形成された別の接着剤層で互いに固定される。
【００２３】
隣り合う二つの燃料電池単セル１では、一方の燃料電池単セル１のカソードセパレータ４ｃと他方の燃料電池単セル１のアノードセパレータ４ａとが当接する。その結果、図１に示すように、二つの酸化剤ガス供給路８と二つの燃料ガス供給路９とに囲まれた冷却水供給路７が形成される。
【００２４】
カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａは、酸化剤ガス、燃料ガス、冷却水を透過させず、導電性を有する材料で形成される。カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａの材料としては、例えばステンレスやチタンのような金属が挙げられる。これらの材料の線膨張係数は例えば約１０×１０−６／℃程度である。
【００２５】
隣接する燃料電池単セル１では、図１に示すように、一方の燃料電池単セル１のアノードセパレータ４ａの他側の周縁部分４ａｅと、他方の燃料電池単セル１のカソードセパレータ４ｃの他側の周縁部分４ｃｅとがシール部材１４を介して接している。シール部材１４の材料としてはゴムのような弾性部材が挙げられる。
【００２６】
図２に示す実施例では、支持フレーム本体２０は、更に、線膨張係数がカソードセパレータ４ｃやアノードセパレータ４ａの線膨張係数に近い材料で形成される。支持フレーム本体２０の線膨張係数と両セパレータ４ｃ、４ａの線膨張係数との相違が大きいと、支持フレーム２を加熱して、支持フレーム２と両セパレータ４ｃ、４ａとを接着したとき、その後の冷却過程において、あるいは、冷間運転時において、支持フレーム２の収縮と両セパレータ４ｃ、４ａの収縮とが大きく異なることになる。そうなると、例えば、支持フレーム２と接着する膜電極接合体５に大きな荷重がかかり、電解質膜５ｅに亀裂が発生するおそれがある。支持フレーム本体２０の線膨張係数と両セパレータ４ｃ、４ａの線膨張係数との相違が小さいことで、その事態を回避できる。そのような支持フレーム本体２０の材料としては、二軸延伸されたエンジニアリングプラスチックが挙げられる。エンジニアリングプラスチックとしてはポリエチレンナフタレート系樹脂、ポリエチレンテレフテラート系樹脂、ポリフェニレンサルファイド系樹脂及びシンジオタクチックポリスチレン系樹脂が挙げられる。図示しない別の実施例では、支持フレーム本体２０の材料としては、一軸又は多軸延伸されたエンジニアリングプラスチックや、一軸、二軸又は多軸延伸された汎用プラスチックが挙げられる。汎用プラスチックとしては、例えばポリプロピレン系樹脂が挙げられる。これらの材料の延伸前の線膨張係数は例えば約１００×１０−６／℃程度であるが、延伸後の延伸方向の線膨張係数は例えば約２０〜４０×１０−６／℃程度まで下がる。一方、カソードセパレータ４ｃやアノードセパレータ４ａの典型的な材料での線膨張係数は約１０×１０−６／℃程度である。このように支持フレーム２を延伸することにより、支持フレーム２の延伸方向の線膨張係数を両セパレータ４ａ、４ｃの線膨張係数と概ね同程度に調節することができる。このうち、ポリエチレンナフタレート系樹脂やポリフェニレンサルファイド系樹脂は、接着剤層１０の硬化に使用される所定の波長（例示：３６５ｎｍ）の紫外線をほとんど透過させず、吸収する材料である。
【００２７】
次に、燃料電池単セルの製造方法について説明する。図３〜図９は、燃料電池単セル１の製造方法の各工程を示す部分断面図である。
【００２８】
まず、図３に示すように、他側面５１上にアノードガス拡散層３ａが配置され、一側面５２が露出された膜電極接合体５を準備する。アノードガス拡散層３ａと膜電極接合体５とは、例えばホットプレス工程により加熱・圧縮されて予め接合されている。
【００２９】
次に、図４に示すように、膜電極接合体５の一側面５２上に外周縁部５２ｅが残るようにカソードガス拡散層３ｃが配置される。その後、カソードガス拡散層３ｃと膜電極接合体５とは、例えばホットプレス工程により加熱・圧縮されて接合される。
【００３０】
次に、図５に示すように、外周縁部５２ｅ上に、紫外線硬化性を有する接着剤層１０を形成する。図５に示す実施例では、接着剤層１０の材料としては、ラジカル重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤が用いられる。ラジカル重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤は、紫外線照射を止めると、接着剤の硬化反応も止まるため、紫外線照射を止めたときの接着剤層１０の粘着力（ＴＡＣ力）を維持できるので、粘着力（ＴＡＣ力）の制御がし易く好適である。また、接着剤層１０は外周縁部５２ｅの全面に形成される。接着剤層１０の形成方法としては、スクリーン印刷でＵＶ硬化型接着剤を外周縁部５２ｅ上に塗布する方法が用いられる。なお、図示しない別の実施例では、膜電極接合体５の一側面５２上に接着剤層１０を先に形成し、その後にカソードガス拡散層３ｃを形成する。
【００３１】
続いて、図６に示すように、接着剤層１０へ所定の波長（例示：３６５ｎｍ）の紫外線ＵＶを照射する。これにより、接着剤層１０が形状を保持できる程度に硬化して流動性が無くなり、外周縁部５２ｅに接着し、外周縁部５２ｅを保護する。このとき、接着剤層１０には粘着力（ＴＡＣ力）が残るような照射条件で紫外線ＵＶを照射する。そのような照射条件（例示：紫外線の光量、照射時間など）は、接着剤層１０の材料により適宜選択される。
【００３２】
続いて、図７に示すように、支持フレーム２を用意する。図７に示す実施例では支持フレーム２には支持フレーム本体２０の両側に接着剤被覆層２１、２２が形成されている。また、図７に示す実施例では、支持フレーム本体２０の材料としては、二軸延伸のポリエチレンナフタレート系樹脂（ＰＥＮ）が用いられる。続いて、接着剤層１０の外側部分３２上に支持フレーム２の内側部分２ｅが接するように、支持フレーム２を接着剤層１０上の適正な位置に配置する。このとき、接着剤層１０には粘着力（ＴＡＣ力）が残っているので、支持フレーム２は接着剤層１０に粘着され、接着剤層１０に保持されて、それにより膜電極接合体５の外周縁部５２ｅに仮固定される。また、二軸延伸のポリエチレンナフタレート系樹脂を配置するとき、二軸の延伸方向をそれぞれ支持フレーム２の長手方向及び長手方向に垂直な方向に合わせる。それにより、支持フレーム２における温度変化による収縮の影響の大きい長手方向の線膨張係数を、カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａの線膨張係数に合わせることができる。図示しない別の実施例では、他の二軸延伸のエンジニアリングプラスチック、一軸及び多軸延伸のエンジニアリングプラスチック、一軸、二軸及び多軸の汎用プラスチックのいずれかを用いる。
【００３３】
続いて、図８に示すように、支持フレーム２と膜電極接合体５とが互いに押し合うように加圧しながら支持フレーム２を加熱する。加熱方法としては、支持フレーム２の周囲をヒータで加熱する方法が用いられる。そのとき、図８に示す実施例では、支持フレーム２の加熱温度を接着剤被覆層２２の融点Ｔｍよりも高くする。それにより、支持フレーム２の内側部分２ｅの接着剤被覆層２２が溶けて、支持フレーム２の接着剤被覆層２２と接着剤層１０とが接着される。すなわち、支持フレーム２と膜電極接合体５とが接着剤層１０と接着剤被覆層２２とを介して接着される。図示しない別の実施例では、加熱方法として、支持フレーム２へ紫外線を照射することにより支持フレーム２に紫外線を吸収させて加熱する方法が用いられる。また、接着剤層１０に熱硬化性の接着剤が含まれている図示しない別の実施例では、支持フレーム２を加熱するときに熱硬化性の接着剤が硬化して、接着剤被覆層２２と接着剤層１０との接着強度が向上する。
【００３４】
また、加圧方法としては、支持フレーム２を接着剤被覆層２１側から接着剤層１０へ錘６０を用いて圧力Ｐで押しつける。それにより、接着剤被覆層２２が接着剤層１０とより密着することができ、接着強度が向上される。なお、錘６０と支持フレーム２とが接する面６０ｓは、テフロン（登録商標）などの材料でコーティングされることにより、接着剤被覆層２１が溶けても錘６０に接着しない。図示しない別の実施例では、支持フレーム２と膜電極接合体５とを加圧せずに支持フレーム２を加熱する。
【００３５】
また、図８に示す実施例では、支持フレーム２の内側部分２ｅの接着剤被覆層２２が溶けたとき、支持フレーム２の重さや、加圧している場合にはその圧力Ｐにより、支持フレーム２下側の溶けた接着剤被覆層２２の一部が隙間Ｇ側へ移動して、支持フレーム本体２０の端部２０ｅを覆う接着剤保護層２３が形成される。接着剤保護層２３は、例えば接着剤被覆層２２の厚みや加熱温度Ｔや加圧している場合にはその圧力Ｐを調整することなどにより形成可能である。あるいは、接着剤被覆層２１、２２及び接着剤層１０以外の他の接着剤を使用して、支持フレーム本体２０の端部２０ｅに予め接着剤保護層２３を形成してもよい。
【００３６】
次に、図９に示すように、支持フレーム２の一側の接着剤被覆層２２における接着剤層１０と接する内側部分２２ｅとは逆の外側部分２２ｆが支持フレーム２及びアノードガス拡散層３ａの一側のアノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅに接するように、アノードセパレータ４ａを配置する。それと共に、支持フレーム２の他側の接着剤被覆層２１の外側部分２１ｆが支持フレーム２及びカソードガス拡散層３ｃの他側のカソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅに接するように、カソードセパレータ４ｃを配置する。そして、支持フレーム２の外側部分２ｆを加熱する。それにより、支持フレーム２の両側の接着剤被覆層２２及び接着剤被覆層２１の外側部分２２ｆ及び外側部分２１ｆが溶けて、アノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅ及びカソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅと支持フレーム２の外側部分２ｆとが接着する。これにより、一対のアノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃで膜電極接合体５と支持フレーム２とが挟持される。その後、接着剤被覆層２２、２１が冷えて硬化することにより、膜電極接合体５、カソードガス拡散層３ｃ、支持フレーム２、アノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃが一体化される。
【００３７】
以上の工程により、燃料電池単セル１が形成される。
【００３８】
本実施例の製造方法では、別の接着剤を塗布せず、紫外線照射後にも接着剤層１０に粘着力（ＴＡＣ力）が残るようにしている。そのため、支持フレーム２を膜電極接合体５の外周縁部５２ｅ上に形成された接着剤層１０上に配置した時、支持フレーム２は接着剤層１０に粘着されるため、配置されたその位置から移動できなくなる。それにより、支持フレーム２を膜電極接合体５に配置した後、少なくとも支持フレーム２が加熱されるまでは、膜電極接合体５に対する支持フレーム２の位置ずれが防止される。そのとき、接着剤層１０の材料に適度な粘性を持たせることで接着剤層１０の形成は容易である。また、支持フレーム２と膜電極接合体５との接着は、支持フレーム２の一側に形成された接着剤被覆層２２が担うようにしている。接着剤被覆層２２は予め支持フレーム本体２０の両側に形成されるものであり、その形成は容易である。すなわち、接着剤層１０や接着剤被覆層２２の形成の容易性を確保しつつ、支持フレーム２の位置ずれを抑制することができる。
【００３９】
また、本実施例の製造方法では、支持フレーム本体２０の材料として、二軸延伸のエンジニアリングプラスチックを用いている。そのため、支持フレーム２の線膨張係数をアノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃの線膨張係数に近づけることができる。それにより、支持フレーム２を加熱して、支持フレーム２と両セパレータ４ａ、４ｃとを接着したとき、その後の冷却過程において、あるいは、冷間運転時において、支持フレーム２の収縮と両セパレータ４ａ、４ｃの収縮とを概ね同程度とすることができる。その結果、支持フレーム２による膜電極接合体５に対する引っ張り荷重を小さくすることができ、電解質膜５ｅでの亀裂の発生を防止できる。このとき、支持フレーム本体２０の材料として、二軸延伸のエンジニアリングプラスチックのうちの紫外線硬化性の接着剤層１０の硬化に用いる所定波長の紫外線が透過し難い材料（例示：ポリエチレンナフタレート系樹脂）を用いる場合があり得る。しかし、そのような場合でも、本実施例の製造方法では、接着剤層１０と支持フレーム２との接着を熱可塑性の接着剤被覆層２２を加熱することにより行っているため、何ら問題なく接着剤層１０と支持フレーム２とを接着できる。これらの効果は、一軸や多軸延伸のエンジニアリングプラスチックや、一軸、二軸及び多軸の汎用プラスチックを用いた場合も同様である。
【００４０】
また、本実施例の製造方法では、支持フレーム本体２０の端部２０ｅが接着剤被覆層２２により保護されている。そのため、支持フレーム本体２０の材料が燃料電池単セル１のカソード電極触媒層５ｃ側の酸化雰囲気に弱い材料であっても、支持フレーム本体２０が酸化雰囲気に曝されなくなり、支持フレーム本体２０の劣化を防止できる。
【００４１】
また、本実施例の製造方法では、支持フレーム２とカソードガス拡散層３ｃとの間の隙間Ｇの外周縁部５２ｅが接着剤層１０の内側部分３１で保護され、外部へ露出されなくなるため、外周縁部５２ｅの膜電極接合体５が劣化等で裂ける事態を防止できる。なお、図示しない別の実施例では、支持フレーム２とカソードガス拡散層３ｃとを近接させ、隙間Ｇを実質的に設けない。
【００４２】
なお、接着剤層１０としては、紫外線硬化型の接着剤以外に室温より高い数十度程度の比較的低温で接着する熱可塑性を有する接着剤（例示：接着性ポリエチレン系樹脂）や、比較的低温で硬化する熱硬化性を有する接着剤（例示：アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイソブチレン系樹脂）も考え得る。しかし、比較的低温で接着する熱可塑性を有する接着剤では、高温で接着強度が落ちるため、高温運転を必要とする車両用の燃料電池単セルには使用できない。また、比較的低温で硬化する熱硬化性を有する接着剤では、常温管理ができないという取り扱い性の悪さ、硬化時間が長いことによる生産性の低さ、アクリル系樹脂の場合には耐酸性の低さ、エポキシ系樹脂の場合には電解質膜の強度低下の誘発、ポリイソブチレン系樹脂の場合には粘度の高さ、などの問題があり、車両用の燃料電池単セルに使用することは困難である。
【００４３】
本実施例の製造方法では、接着剤被覆層２１、２２の融点Ｔｍは接着剤層１０のガラス転移点Ｔｇ以上であってもよい。また、支持フレーム２の加熱温度が接着剤被覆層２１、２２の融点Ｔｍ以上である限り、その加熱温度は接着剤層１０のガラス転移点Ｔｇ以上であってもよい。
【００４４】
図示しない別の実施例では、接着剤被覆層２１、２２の材料として、接着剤被覆層２１、２２の融点Ｔｍが接着剤層１０のガラス転移点Ｔｇよりも低い材料を用い、図８の工程における支持フレーム２の加熱温度を接着剤被覆層２１、２２の融点Ｔｍよりも高く、接着剤層１０のガラス転移点Ｔｇよりも低くする。それにより、図８の工程において支持フレーム２が加熱されて接着剤被覆層２２と接着剤層１０とが接着される間も、接着剤層１０が溶けず流動しないので、接着剤層１０の粘着力により支持フレーム２を膜電極接合体５の所定の位置に保持し続けることができる。したがって、支持フレーム２の位置を保持しつつ、支持フレーム２と膜電極接合体５とを接着剤層１０を介して接着することができる。
【００４５】
図示しない更に別の実施例では、汎用プラスチック又はエンジニアリングプラスチックとして、一軸延伸の汎用プラスチック又は一軸延伸のエンジニアリングプラスチックを用いる。その場合、延伸方向を支持フレーム２の長手方向に合わせる。それにより、支持フレーム２における温度変化による収縮の影響の大きい長手方向の線膨張係数を、カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａの線膨張係数に合わせることができる。
【００４６】
図示しない更に別の実施例では、図５の工程は、接着剤の塗布にディスペンサが用いられる。
【００４７】
なお、上記実施例では、膜電極接合体５の一側面５２（カソードガス拡散層３ｃの側）はカソード極側面であり、他側面５１（アノードガス拡散層３ａの側）はアノード極側面である。図示しない更に別の実施例では、膜電極接合体５の一側面はアノード極側面であり、他側面はカソード極側面である。
【符号の説明】
【００４８】
１    燃料電池単セル
２    支持フレーム
３ａ    アノードガス拡散層
３ｃ    カソードガス拡散層
５    膜電極接合体
１０    接着剤層
２０    支持フレーム本体
２１、２２    接着剤被覆層
５２ｅ    外周縁部
【図１】
2016162650.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2016162650.tif 000008
【図７】
2016162650.tif 000009
【図８】
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【図９】
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