(57)【要約】【課題】接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体にき裂が生じることを抑制する。【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とセパレータ４ｃ、４ａとを備えた燃料電池単セル１の製造方法は、膜電極接合体の一側面５２上に外周縁部５２ｅを残しつつ両側面５１、５２上にガス拡散層を配置した膜電極接合体を準備し、外周縁部上に接着剤層１０を形成する工程と、支持フレームを接着剤層上に配置して、支持フレームに、膜電極接合体と重なる内側部分２ｅと、膜電極接合体よりも外側に張り出しつつ内側部分を囲む外側部分２ｆとを区画する工程と、内側部分が接着剤層に接しながら外側部分の一部が膜電極接合体の一側面を含む基準平面ＲＳを越えて膜電極接合体の他側面に向かう湾曲形状に支持フレームを維持しつつ、接着剤層を硬化する工程と、支持フレームを平坦にしつつ支持フレームの両側面上にセパレータを固定する工程と、を備える。【選択図】図３
2016162648.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面上それぞれ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、前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体及び前記支持フレームの両側面上それぞれに配置され、周縁部分において前記支持フレームに固定され、中央部分において前記ガス拡散層に当接するセパレータと、を備えた燃料電池単セルの製造方法であって、
前記膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るにようにしつつ両側面上にそれぞれ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、
前記膜電極接合体の一側面上の外周縁部上に、接着剤層を形成する工程と、
前記支持フレームを前記接着剤層上に配置し、それにより、前記支持フレームに、前記膜電極接合体と重なっている内側部分と、前記膜電極接合体よりも外側に張り出しつつ前記内側部分を囲む外側部分とが区画される、工程と、
前記支持フレームの前記内側部分が前記接着剤層に接しながら前記支持フレームの前記外側部分の少なくとも一部が前記膜電極接合体の一側面を含む基準平面を越えて前記膜電極接合体の他側面に向け延びる湾曲形状に前記支持フレームを維持しつつ、前記接着剤層を硬化する工程と、
前記支持フレームを平坦にしつつ、前記支持フレームの外周縁部の両側面上に前記セパレータの前記周縁部分をそれぞれ固定する工程と、
を備える、
燃料電池単セルの製造方法。
【請求項２】
前記接着剤層を硬化する工程の前には前記支持フレームは平坦な形状を有し、
前記接着剤層を硬化する工程は、
前記支持フレームが前記湾曲形状に変形されるように、前記支持フレームの外側部分に、前記膜電極接合体の一側面から前記膜電極接合体の他側面に向かう方向の荷重を押圧部材により与えつつ、前記接着剤層を硬化する工程を含む、
請求項１に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項３】
前記押圧部材が前記支持フレームの前記内側部分及び前記外側部分に同時に接することが可能な大きさに形成されており、
前記押圧部材で荷重を与えつつ、前記接着剤層を硬化する工程は、
前記押圧部材における前記支持フレームの内側部分に接する部分で前記支持フレームの内側部分に前記接着剤層に向かう方向の荷重を与えると同時に、前記押圧部材における前記支持フレームの外側部分に接する部分で前記支持フレームの外側部分に前記荷重を与えつつ、前記接着剤層を硬化する工程を含む、
請求項２に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項４】
前記支持フレームの前記外側部分に荷重を与えることなく、別の押圧部材で、前記支持フレームの内側部分に前記接着剤層に向かう方向の荷重を与えつつ、前記接着剤層を不完全に硬化する工程を更に備え、
前記押圧部材で荷重を与えつつ、前記接着剤層を硬化する工程は、
前記接着剤層を不完全に硬化した後に前記支持フレームの前記内側部分に荷重を与えることなく、前記押圧部材で、前記支持フレームの外側部分に前記荷重を与えつつ、前記接着剤層を完全に硬化する工程と、
を含む、
請求項２に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項５】
前記支持フレームは、前記接着剤層上に配置される前から湾曲した形状を有しており、前記支持フレームを前記接着剤層上に配置する工程は、前記支持フレームが前記湾曲形状をとるように前記支持フレームを前記接着剤層上に配置する、
請求項１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、膜電極接合体の両側面上それぞれに配置されたガス拡散層と、膜電極接合体の外周において膜電極接合体を支持する支持フレームと、ガス拡散層が配置された膜電極接合体及び支持フレームの両側面上それぞれに配置され、周縁部分において支持フレームに固定され、中央部分においてガス拡散層に当接するセパレータと、を備えた燃料電池単セルの製造方法であって、膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るにようにしつつ両側面上にそれぞれガス拡散層が配置された膜電極接合体を準備する工程と、外側部分と外側部分から内側に突出した内側部分とを有する支持フレームのうちの内側部分上に、接着剤層を形成する工程と、接着剤層が膜電極接合体の一側面上の外周縁部に重なるように支持フレームを膜電極接合体上に配置する工程と、接着剤層を硬化する工程と、支持フレームの外周縁部の両側面上にセパレータの周縁部分をそれぞれ固定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２０１４−１３７９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガス拡散層を両側面に備える膜電極接合体と支持フレームとの間の接着剤層は硬化するときに収縮する。そのため、接着剤層上の支持フレームは接着剤層の収縮に伴って、支持フレームの外周縁部と重ならない部分が、膜電極接合体の他側面側から一側面側へ湾曲する。支持フレームが膜電極接合体の一側面側へ湾曲した状態で支持フレームの両側面にセパレータが接着されると、支持フレームはセパレータ形状に倣って真っすぐの状態になり、支持フレームのうちの接着剤層と接着してない部分はセパレータにより膜電極接合体の一側面側から他側面側に押されることになる。このとき、接着剤層は、膜電極接合体の他側面側から一側面側に向かう方向、すなわち接着剤層が剥がれる方向に引っ張られる。そして、燃料電池単セルの使用時に燃料電池単セルが低温の環境に置かれる場合、例えば冷間運転の場合に、支持フレームが収縮すると、支持フレームが接着剤層を引っ張る力がより大きくなる。そのため、その引っ張る力により、接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体にき裂が生じるおそれがある。接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体にき裂が生じることを抑制する技術が望まれる。
【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面上それぞれ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、前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体及び前記支持フレームの両側面上それぞれに配置され、周縁部分において前記支持フレームに固定され、中央部分において前記ガス拡散層に当接するセパレータと、を備えた燃料電池単セルの製造方法であって、前記膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るにようにしつつ両側面上にそれぞれ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、前記膜電極接合体の一側面上の外周縁部上に、接着剤層を形成する工程と、前記支持フレームを前記接着剤層上に配置し、それにより、前記支持フレームに、前記膜電極接合体と重なっている内側部分と、前記膜電極接合体よりも外側に張り出しつつ前記内側部分を囲む外側部分とが区画される、工程と、前記支持フレームの前記内側部分が前記接着剤層に接しながら前記支持フレームの前記外側部分の少なくとも一部が前記膜電極接合体の一側面を含む基準平面を越えて前記膜電極接合体の他側面に向け延びる湾曲形状に前記支持フレームを維持しつつ、前記接着剤層を硬化する工程と、前記支持フレームを平坦にしつつ、前記支持フレームの外周縁部の両側面上に前記セパレータの前記周縁部分をそれぞれ固定する工程と、を備える燃料電池単セルの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体にき裂が生じることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】燃料電池単セル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】燃料電池単セルにおけるセパレータを組み付けていないときの支持フレームの状態を示す断面図である。
【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。
【図１０】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１１】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１２】比較例の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１３】比較例の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１４】比較例の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１５】別の実施例の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１６】別の実施例の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。燃料電池スタックＡは、図１に示す燃料電池単セル１を複数個、燃料電池単セル１の厚み方向Ｓに積層し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、例えばフッ素系のイオン伝導性を有する高分子膜が挙げられる。図２に示す実施例では、パーフルオロスルホン酸を備えるプロトン導電性を有するイオン交換膜を用いる。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２に示す実施例では、白金合金を担持した触媒担持カーボンを用いる。図示しない別の実施例では、電解質膜５ｅと同様の材料のアイオノマーが触媒担持カーボンに更に加えられる。
【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や、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。図２に示す実施例ではカーボンクロスを用いる。図示しない別の実施例では、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。図示しない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を混合した撥水層が上記多孔体の膜電極接合体５側に形成される。
【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。図２は燃料電池単セル１が常温（例えば２０℃）にある場合を示しており、この場合接着剤層１０の内部には、支持フレーム２とカソードガス拡散層３ｃとを互いに結ぶ向きＰの圧縮応力が生じている。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の内側端部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、熱硬化性を有する接着剤又は紫外線（ＵＶ）硬化性を有する接着剤で形成される。熱硬化性を有する接着剤層１０の材料としてはエポキシ系樹脂の接着剤が挙げられ、紫外線硬化性を有する接着剤層１０の材料としてはラジカル重合性樹脂やカチオン重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤が挙げられる。図２に示す実施例では、ラジカル重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤を用いる。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、ディスペンサで塗布する方法が挙げられる。図２に示す実施例ではスクリーン印刷法を用いる。
【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は、膜電極接合体５と重なっている内側部分２ｅと、膜電極接合体５よりも外側に張り出しつつ内側部分２ｅを囲む外側部分２ｆとを有している。内側部分２ｅは接着剤層１０の外側部分３２上に接着されることにより、膜電極接合体５の外周縁部５２ｅに接着される。内側部分２ｅが膜電極接合体５の外周縁部５２ｅに接着されたとき、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２の材料としては、ポリプロピレン系樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフテラート系樹脂及びポリエチレンナフタレート系樹脂のような樹脂製の板が挙げられる。図２に示す実施例では、支持フレーム２の材料として、接着剤層１０の硬化に使用される所定の波長（例示：３６５ｎｍ）の紫外線が透過可能なポリプロピレン系樹脂を用いる。これらの材料の典型的な線膨張係数は例えば約１００×１０−６／℃程度である。
【００１７】
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の両側面上のそれぞれには、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が配置される。
【００１８】
カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅは支持フレーム２の他側面２０ｓｃに熱可塑性又は熱硬化性を有する接着剤（図示せず）で固定される。カソードセパレータ４ｃ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。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。
【００１９】
一方、アノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅは支持フレーム２の一側面２０ｓａに熱可塑性又は熱硬化性を有する接着剤（図示せず）で固定される。アノードセパレータ４ａ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。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７が形成される。複数の燃料ガス供給路７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。
【００２０】
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とがシール部材（図示せず）を介して当接する。その結果、二つの酸化剤ガス供給路８と二つの燃料ガス供給路７とに囲まれた冷却水供給路（図示せず）が形成される。
【００２１】
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。図１に示す実施例では、カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａの材料としてチタンを用いる。これらの材料の典型的な線膨張係数は例えば約１０×１０−６／℃程度である。
【００２２】
支持フレーム２の線膨張係数は、カソードセパレータ４ｃやアノードセパレータ４ａの線膨張係数と比較して非常に大きい。そのため、セパレータ４ｃ、４ａと支持フレーム２とを接着するために接着剤層１０を加熱した後の冷却過程において、あるいは、燃料電池単セル１の冷間運転時において、支持フレーム２の収縮量はセパレータ４ｃ、４ａの収縮量よりも非常に大きくなる。そうなると、支持フレーム２の収縮により接着剤層１０や膜電極接合体５に大きな引張り応力が発生し、接着剤層１０のき裂や膜電極接合体５の損傷などが発生し、クロスリークの原因となるおそれがある。
【００２３】
そこで、本実施例では、図３に示すように、カソードガス拡散層３ｃ及びアノードガス拡散層３ａを有する膜電極接合体５及び支持フレーム２の両側面上にカソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａが組み付けられていないときには、支持フレーム２が湾曲形状を有するようにしている。すなわち、支持フレーム２は、内側部分２ｅが接着剤層１０に固定されつつ外側部分２ｆの少なくとも一部が膜電極接合体５の一側面５２を含む基準平面ＲＳを越えて膜電極接合体５の他側面５１に向け延びる湾曲形状を有する。この湾曲形状は、燃料電池単セル１が組み立てられた後の接着剤層１０に上述の圧縮応力を内在させるために設けられる。図３に示す実施例では、支持フレーム２は、外側部分２ｆの少なくとも先端部が基準平面ＲＳを越えて膜電極接合体５の他側面５１に向け延びる湾曲形状を有しており、言い換えると支持フレーム２の接着剤層１０と接する一側面側に凹面を成すように湾曲している。
【００２４】
燃料電池単セル１が形成されるとき、図１に示すように、湾曲形状を有する支持フレーム２はガス拡散層３ｃ、３ａを備える膜電極接合体５と共にセパレータ４ｃ、４ａ間に挟持されて平坦な形状になる。そのとき、接着剤層１０に接している支持フレーム２の内側部分２ｅが接着剤層１０、特に隙間Ｇの接着剤層１０をカソードガス拡散層３ｃ側へ押すため、接着剤層１０は支持フレーム２の内側部分２ｅとカソードガス拡散層３ｃの外側部分３ｃｅとの間に挟まれて、圧縮される。すなわち、接着剤層１０には圧縮応力が生じている。このような圧縮応力は、セパレータ４ｃ、４ａと支持フレーム２との接着時の加熱後の冷却過程において、あるいは、燃料電池単セル１の冷間運転時において、支持フレーム２の収縮により接着剤層１０や膜電極接合体５に生じる引張り応力を緩和することができる。それにより、接着剤層１０の破壊を抑制でき、膜電極接合体５の損傷を抑制することができる。
【００２５】
次に、燃料電池単セルの製造方法について説明する。図４〜図１１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。
【００２６】
まず、図４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。
【００２７】
次に、図５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を配置する。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。
【００２８】
次に、図６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６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硬化型接着剤を用いる。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上に塗布する方法を用いる。図示しない別の実施例では、接着剤層１０の材料として、熱硬化性を有する接着剤を用いる。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。
【００２９】
続いて、図７に示すように、平板枠状の支持フレーム２を用意する。図７に示す実施例では、支持フレーム２の材料としては、ポリプロピレン系樹脂が用いられる。続いて、接着剤層１０上に支持フレーム２を配置する。図７に示す実施例では、支持フレーム２を接着剤層１０上に配置することにより、支持フレーム２に、膜電極接合体５と重なっている内側部分２ｅと、膜電極接合体５よりも外側に張り出しつつ内側部分２ｅを囲む外側部分２ｆとが区画される。その結果、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が接し、接着剤層１０の内側部分３１が露出する。それにより、支持フレーム２は接着剤層１０に粘着される。
【００３０】
その後、図８に示すように、支持フレーム２及びガス拡散層３ｃ、３ａを配置された膜電極接合体５を平板状の台座６２上に配置する。支持フレーム２上には、略平板枠状の押圧部材６１を対面配置する。押圧部材６１は、支持フレーム２の内側部分２ｅ及び外側部分２ｆに同時に接することが可能な大きさに形成されており、支持フレーム２の内側部分２ｅに荷重を与えるための内側部分６１ｅと、支持フレーム２の外側部分２ｆに荷重を与えるための外側部分６１ｆとを備える。ここで、支持フレーム２と当接する押圧部材６１の一側面６１ｓａは、外側部分６１ｆと内側部分６１ｅとの境界に段差６１ｋを有し、押圧部材６１の外側部分６１ｆが支持フレーム２の外側部分２ｆに当接したとき、押圧部材６１の内側部分６１ｅと支持フレーム２の内側部分２ｅとの間に若干の隙間Ｄが生じる。このとき、段差６１ｋの位置はアノードガス拡散層３ａよりも平面方向の外側にある。
【００３１】
続いて、図９に示すように、支持フレーム２が湾曲形状に変形されるように、押圧部材６１の内側部分６１ｅにより支持フレーム２の内側部分２ｅに接着剤層１０に向かう方向の荷重を与えると同時に、押圧部材６１の外側部分６１ｆにより支持フレーム２の外側部分２ｆに膜電極接合体５の一側面５２から他側面５１に向かう方向の荷重を与える。図９に示す実施例では、段差６１ｋ近傍の外側部分６１ｆが外側部分２ｆに荷重を与える。それにより、支持フレーム２の内側部分２ｅが接着剤層１０に接しながら支持フレーム２の外側部分２ｆが膜電極接合体５の一側面５２を含む基準平面ＲＳを越えて膜電極接合体５の他側面５１に向け延びる湾曲形状に支持フレーム２が変形される。このとき、内側部分６１ｅにより支持フレーム２の内側部分２ｅに与える荷重よりも、外側部分６１ｆにより支持フレーム２の外側部分２ｆに与える荷重の方が大きい。
【００３２】
上記荷重の付与と共に、接着剤層１０に所定波長（例示：３６５ｎｍ）の紫外線ＵＶを照射する。ここで、押圧部材６１は石英製であり、支持フレーム２もポリプロピレン系樹脂製であるため、いずれも所定波長の紫外線ＵＶが透過可能である。そのため、接着剤層１０は紫外線を受けて硬化する。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。これにより、接着剤層１０は膜電極接合体５と接着し、それにより支持フレーム２と膜電極接合体５とを接着する。熱硬化性を有する接着剤を用いる図示しない別の実施例では、接着剤層１０に紫外線ＵＶを照射するのではなく、接着剤層１０及びその周囲を加熱する。
【００３３】
その後、図１０に示すように、支持フレーム２及びガス拡散層３ｃ、３ａを配置された膜電極接合体５を、押圧部材６１及び台座６２から外す。このとき、支持フレーム２は図１０に示すように湾曲形状に維持される。なお、押圧部材６１が取り除かれると、支持フレーム２は元の平坦形状に戻ろうとわずかに変形する場合があり、この場合には湾曲の程度が少し緩和する。
【００３４】
次に、図１１に示すように、カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅが支持フレーム２の他側面２０ｓｃに接するように、カソードセパレータ４ｃを支持フレーム２上に接着剤を介して配置する。それと共に、アノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅが支持フレーム２の一側面２０ｓａに接するように、アノードセパレータ４ａを支持フレーム２上に接着剤を介して配置する。このとき、湾曲した支持フレーム２はセパレータ４ｃ、４ａに挟まれて平坦な状態になる。そのため、支持フレーム２の内側部分２ｅが接着剤層１０をカソードガス拡散層３ｃ側へ押すことになるため、接着剤層１０を圧縮応力が内在した状態にできる。そして、セパレータ４ｃ、４ａと支持フレーム２との間の接着剤を加熱、溶融後に冷却、硬化させて、カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅ及びアノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅと支持フレーム２とを接着する。それにより、セパレータ４ｃ、４ａにより、ガス拡散層３ｃ、３ａを有する膜電極接合体５及び支持フレーム２が挟持される。そのとき、平坦な状態にされ圧縮応力を内在した接着剤層１０は、そのまま圧縮応力を内在した状態を維持する。このようにして、膜電極接合体５、ガス拡散層３ｃ、３ａ、支持フレーム２、セパレータ４ｃ、４ａが一体化される。
【００３５】
以上の工程により、燃料電池単セル１が形成される。
【００３６】
ここで、上記の製造方法（以下、「実施例の製造方法」と記す。）の効果を説明するために、上記の実施例の製造方法と異なる典型的な製造方法（以下、「比較例の製造方法」と記す。）について図１２〜図１３説明する。
【００３７】
比較例の製造方法では、まず、実施例の製造方法の図４〜図７の工程と同様の工程により、カソードガス拡散層１０３ｃ及びアノードガス拡散層１０３ａが両側面１５２、１５１上に配置された膜電極接合体１０５において、外周縁部１５２ｅ上に接着剤層１１０を形成し、接着剤層１１０上に支持フレーム１０２を配置する。
【００３８】
次に、図１２に示すように、支持フレーム１０２及びガス拡散層１０３ｃ、１０３ａを配置された膜電極接合体１０５を平板状の台座１６２上に配置する。支持フレーム１０２上には、段差を有さない平板枠状の押圧部材１６１を対面配置する。続いて、膜電極接合体５の一側面１５２から膜電極接合体５の他側面１５１に向かう方向の荷重を押圧部材１６１により支持フレーム１０２に与えつつ、接着剤層１１０に所定波長の紫外線ＵＶを照射して接着剤層１１０を硬化する。それにより支持フレーム１０２と膜電極接合体１０５とが接着される。このとき、支持フレーム１０２が膜電極接合体１０５と概ね平行な状態を維持されつつ、接着剤層１１０が硬化される。その結果、接着剤層１１０、特に接着剤層１１０の表面には収縮応力が内在することになる。
【００３９】
その後、図１３に示すように、支持フレーム１０２及びガス拡散層１０３ｃ、１０３ａを配置された膜電極接合体１０５を、押圧部材１６１及び台座１６２から外す。その結果、接着剤層１１０に内在する収縮応力により、支持フレーム１０２は、膜電極接合体１０５の一側面１５２側へ湾曲する。すなわち、図１０の工程の場合とは逆側に湾曲する。
【００４０】
次に、図１４に示すように、カソードガス拡散層１０３ｃ及びアノードガス拡散層１０３ａを有する膜電極接合体１０５及び支持フレーム２の両側面上にカソードセパレータ１０４ｃ及びアノードセパレータ１０４ａを配置する。このとき、湾曲した支持フレーム１０２はセパレータ１０４ｃ、１０４ａに挟まれて平坦な状態になる。そのため、支持フレーム１０２の内側部分１０２ｅが接着剤層１１０を支持フレーム１０２の内側部分１０２ｅ側へ引っ張ることになり、接着剤層１１０に引張り応力が生じる。その後、カソードセパレータ１０４ｃの周縁部分１０４ｃｅと支持フレーム１０２の他側面１２０ｓｃとを接着剤で接着し、アノードセパレータ１０４ａの周縁部分１０４ａｅと支持フレーム１０２の一側面１２０ｓａとを接着剤で接着する。このとき、接着剤の加熱後の冷却過程において、接着剤層１１０に内在する引張応力が増大する。その後の、冷間運転時においても同様である。
【００４１】
したがって、比較例の製造方法では、セパレータ１０４ｃ、１０４ａの配置時に接着剤層１１０に引張り応力が発生するうえに、セパレータ１０４ｃ、１０４ａと支持フレーム１０２との接着時の加熱後の冷却過程において、あるいは、冷間運転時において、接着剤層１１０に内在する引張応力が増大するため、接着剤層１１０にき裂が生じ易くなる。したがって、比較例の製造方法では、接着剤層１１０のき裂や膜電極接合体１０５の損傷などが発生し易く、クロスリークが起き易くなるおそれがある。
【００４２】
一方、実施例の製造方法では、上記図４〜図１１の工程と共に説明されたように、支持フレーム２が膜電極接合体５の他側面５１側へ湾曲するように、膜電極接合体５上に接着剤層１０で固定されつつ接着剤層１０が硬化される。そのため、支持フレーム２がセパレータ４ｃ、４ａ間に挟持されて平坦な状態になると、接着剤層１０はカソードガス拡散層３ｃ方向に圧縮されて圧縮応力を内在した状態になる。このような圧縮応力は、その後の工程や使用時に接着剤層１０や膜電極接合体５に生じる引張り応力を緩和することができる。それにより、接着剤層１０でのき裂を抑制でき、膜電極接合体５の損傷を抑制することができる。言い換えると、上記比較例の製造方法との相違を考慮すれば、支持フレーム２がセパレータ４ｃ、４ａ間に挟持され平坦な状態になったとき、接着剤層１０に圧縮応力が生じている状態が必要である。なお、実施例の製造方法でも、支持フレーム２が湾曲されつつ接着剤層１０が硬化されると、接着剤層１０に収縮応力が内在する。次いで、押圧部材６１が取り除かれたときに接着剤層１０の収縮応力により支持フレームの湾曲の程度が少し緩和される。
【００４３】
次に図１５〜図１６を参照して別の実施例の製造方法を説明する。この別の実施例の製造方法は、支持フレーム２を湾曲させる工程で用いる押圧部材の構成が、上記図４〜図１１に示す実施例の製造方法と相違する。以下相違点について主に説明する。
【００４４】
この別の実施例の製造方法において、まず、図４〜図７の工程と同様の工程により、カソードガス拡散層３ｃ及びアノードガス拡散層３ａを膜電極接合体５の両側面５２、５１上に配置し、膜電極接合体５の外周縁部５２ｅ上に接着剤層１０を形成し、接着剤層１０上に支持フレーム２を配置する。
【００４５】
次に、図１５に示すように、支持フレーム２が接着剤層１０上に配置され、ガス拡散層３ｃ、３ａが両側面５２、５１上に配置された膜電極接合体５を台座６２上に配置する。また、平板枠状の押圧部材６１ａを支持フレーム２の内側部分２ｅ上に配置する。そして、支持フレームの外側部分２ｆに荷重を与えることなく、支持フレーム２の内側部分２ｅに接着剤層１０に向かう方向の荷重を押圧部材６１ａにより与える。このとき、支持フレーム２は湾曲状態に変形することはない。それと共に、接着剤層１０に所定波長（例示：３６５ｎｍ）の紫外線ＵＶを照射して、接着剤層１０を不完全に硬化させる。すなわち、接着剤層１０を完全には硬化させず、後工程で支持フレーム２を湾曲させたとき、接着剤層１０が外周縁部５２ｅから剥がれずに内側部分２ｅを保持できる程度に硬化させる。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。
【００４６】
その後、図１６に示すように、押圧部材６１ａを取り外し、平板枠状の押圧部材６１ｂを支持フレーム２の外側部分２ｆ上に配置する。そして、支持フレーム２の内側部分２ｅに荷重を与えることなく、支持フレーム２の外側部分２ｆに膜電極接合体５の一側面５２から他側面５１に向かう方向の荷重を押圧部材６１ｂにより与える。その結果、支持フレーム２は湾曲形状に変形する。それと共に、接着剤層１０に所定波長（例示：３６５ｎｍ）の紫外線ＵＶを照射して、接着剤層１０を完全に硬化させる。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。
【００４７】
続いて、実施例の製造方法の図１１の工程と同様の工程により、カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａが支持フレーム２の両側面２０ｓｃ、２０ｓａに固定される。
【００４８】
以上の工程により、燃料電池単セル１が形成される。
【００４９】
この場合にも、上記図４〜図１１に示す実施例の製造方法と同様の効果を奏することができる。また、押圧部材の構造を簡略化できる。
【００５０】
上記図４〜図１１の実施例や図１５〜図１６の実施例では、当初平坦な支持フレーム２を途中の工程で湾曲形状に変形している。図示しない更に別の実施例では、当初から上記湾曲形状を有する支持フレーム２を用いる。その場合、支持フレーム２を接着剤層１０上に配置する工程（上記図７に示す工程）では、支持フレーム２が湾曲形状をとるように支持フレーム２を接着剤層１０上に配置する。
【００５１】
なお、上記各実施例では、膜電極接合体５の一側面５２はカソード極側面であり、他側面５１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】
【００５２】
１    燃料電池単セル
２    支持フレーム
２ｅ    内側部分
２ｆ    外側部分
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
５１    他側面（膜電極接合体）
５２    一側面（膜電極接合体）
５２ｅ    外周縁部
ＲＳ    基準平面
【図１】
2016162648.tif 000003
【図２】
2016162648.tif 000004
【図３】
2016162648.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016162648.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016162648.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016162648.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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