JP5920102B2 - 裁断装置および裁断方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜部材の裁断装置に関する。

膜部材としては、例えば、固体高分子形燃料電池に用いられる電解質膜や、それを用いて作成された膜電極接合体が知られている。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、膜電極接合体は、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層とが積層された積層構造を有する薄膜状の発電体である。

燃料電池の製造工程では、通常、裁断装置によって、膜電極接合体や、それを構成する電解質膜などの膜部材が所望のサイズに裁断される。例えば、特許文献１では、トリム刃を備える裁断装置によって膜電極接合体の周縁部が切断されている。特許文献２では、帯状の連続体として形成された複数の膜電極接合体がロータリーカッターによってそれぞれに切り分けられている。

特開２００３−０２２８３２号公報 特開２００８−２５８０９７号公報 特開２０１１−０４０４８５号公報

しかし、特許文献１，２のような、膜部材をカッターなどの切削刃によって裁断する裁断装置では、裁断工程の繰り返しによって切削刃に刃こぼれなどの摩耗を生じやすいという問題がある。特に、特許文献１のように、膜部材が載置される載置面において切削刃の刃先を受け止めている場合には、当該載置台の表面が切削刃によって摩耗してしまい、裁断精度が低下する可能性もある。

特許文献２では、ロータリーカッターの刃先の摩耗を抑制するために、膜電極接合体を完全に切断せず、ロータリーカッターの刃先を膜電極接合体の途中まで食い込ませておいた後に、膜電極接合体を分離させている。しかし、この方法の場合には、膜電極接合体の切断部位のうち、切削によらずに分離された部位が粗れてしまい、裁断精度が低下してしまう可能性がある。

ところで、燃料電池の電解質膜は、湿潤状態に応じて膨潤しやすい性質を有している。そのため、膜電極接合体は、電解質膜とガス拡散層との膨潤量の差によって湾曲するなどの変形を生じやすい。従って、膜電極接合体の裁断の際には、膜電極接合体の変形が抑制されるように確実に保持されていることが望ましい。また、電解質膜のような高分子樹脂の膜部材は一般に展延性が高いため、裁断の際に延伸変形するなどして裁断が困難になり、裁断精度が低下してしまう可能性がある。

上述した燃料電池の膜電極接合体の裁断加工における課題は、燃料電池の構成部材以外の種々の膜部材の裁断加工の際に共通する課題である。これまで、膜部材の裁断装置では、膜電極接合体のように展延性の高い部材を含む膜部材に対する裁断精度を向上させることが望まれてきた。そのほか、従来から、膜部材の裁断装置においては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれてきた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。本発明の第一の形態は、燃料電池用電解質膜として用いられる膜部材を裁断する裁断装置であって、前記膜部材の第１の部位を保持する保持部と、前記保持部と前記膜部材の面に沿った方向に隣り合う位置において前記膜部材の前記第２の部位を挟持する挟持部と、を備え、前記第２の部位を前記挟持部に挟持させたまま、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離を増大させて前記第１と第２の部位を分離させる、裁断装置として提供される。また、本発明の第二の形態は、燃料電池用電解質膜として用いられる膜部材の裁断方法であって、（ａ）前記膜部材の第１の部位を保持部に保持させる工程と、（ｂ）前記膜部材の第２の部位を挟持部に挟持させる工程と、（ｃ）前記第２の部位を前記挟持部に挟持させたまま、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離を増大させて前記第１と第２の部位とを分離させる工程と、を備える、裁断方法として提供される。

（１）本発明の一形態によれば、膜部材を裁断する裁断装置が提供される。この裁断装置は、前記膜部材の第１の部位を保持する保持部と；前記保持部と前記膜部材の面に沿った方向に隣り合う位置において前記膜部材の前記第２の部位を挟持する挟持部と；を備え；前記第２の部位を前記挟持部に挟持させたまま、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離を増大させて前記第１と第２の部位を分離させる。この形態の裁断装置によれば、切削刃を用いることなく、保持部における保持力と挟持部における狭持力とを利用して、第１と第２の部位を分離させて膜部材を裁断することができる。従って、切削刃やその切削刃と接触する部材の摩耗に起因する裁断精度の低下を抑制することができる。

（２）上記実施形態の裁断装置において、前記挟持部は；前記第２の部位をパンチするパンチ部と；前記パンチ部によるパンチの際に前記パンチ部を前記第２の部位を挟んで受け止めつつ、前記パンチ部とともに前記第２の部位を挟持した状態で、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離が増大するように移動する受止部と；を備えていても良い。この形態の裁断装置によれば、パンチ部による打ち抜き力と、パンチ部と受止部との挟持力とを利用して膜部材を高い精度で裁断することができる。

（３）上記実施形態の裁断装置において、前記受止部は、前記受止部は、前記パンチ部のパンチ方向と平行な方向に付勢されて設置されているものとしても良い。この形態の裁断装置によれば、パンチ部の衝撃力を受止部によって吸収することができるため、裁断工程の繰り返しによる裁断装置の蓄積疲労によって裁断装置の裁断精度が低下してしまうことを抑制できる。

（４）上記実施形態の裁断装置において、前記パンチ部と前記受止部とが前記第２の部位を挟持した状態のときの、前記パンチ部と前記保持部との間の前記膜部材の面に沿った方向におけるクリアランスが１０μｍ以下であるものとしても良い。この形態の裁断装置によれば、パンチ部と保持部との間のクリアランスが適切に設定されるため、膜部材の裁断精度を確保することができる。

（５）上記実施形態の裁断装置は、前記挟持部に挟持されている前記第２の部位と、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離を、前記挟持部の挟持方向に交わる方向に増大させて前記第１と第２の部位を分離させるものとしても良い。この裁断装置によれば、例えば、挟持部の挟持方向に沿った方向以外の方向へ保持部または挟持部を移動させることによって、第１と第２の部位を分離させることができる。

（６）上記実施形態の裁断装置において、 前記保持部は；前記第１の部位が載置される載置面と；負圧を発生させて、前記載置面に前記第１の部位を吸着させる負圧発生部と；を備えていても良い。この裁断装置によれば、裁断の際に第１の部位を確実に保持することができ、裁断装置における裁断精度が向上する。

（７）上記実施形態の裁断装置において、前記膜部材は、燃料電池用電解質膜を含むものとしても良い。この裁断装置であれば、展延性の高い電解質膜を高い裁断精度で裁断することができるため、燃料電池の製造工程において、電解質膜や、電解質膜とガス拡散層とが積層された積層体、膜電極接合体の裁断性を向上させることができる。

（８）本発明の他の形態によれば、膜部材の裁断方法が提供される。この裁断方法は、（ａ）前記膜部材の第１の部位を保持部に保持させる工程と；（ｂ）前記膜部材の第２の部位を挟持部に挟持させる工程と；（ｃ）前記第２の部位を前記挟持部に挟持させたまま、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離を増大させて前記第１と第２の部位とを分離させる工程と；を備える。この裁断方法によれば、切削刃を用いることなく、第１と第２の部位を分離させて膜部材を裁断することができる。従って、切削刃やその切削刃と接触する部材の摩耗に起因する裁断精度の低下を抑制することができる。

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、裁断装置の制御方法や、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池の構成を示す概略図。 膜電極接合体の製造工程を示すフローチャート。 膜電極接合体の製造工程の内容を示す模式図。 裁断工程において用いられる裁断装置の構成を示す概略図。 裁断工程の際の裁断装置の動作を説明するための模式図。 裁断工程の際の裁断装置の動作を説明するための模式図。 裁断装置による積層膜部材の裁断工程をより詳細に説明するための説明図。 比較例としての裁断装置による積層膜部材の裁断工程を示す模式図。 裁断装置における受止部の機能を説明するための模式図。 第２のガス拡散層の配置工程を示す模式図。

A．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての裁断装置を用いて製造される燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１０は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、単体であっても電池として機能できる発電要素（以下、「単セル１１」と呼ぶ）が複数積層されたスタック構造を有する。

単セル１１は、膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２を挟持する第１と第２のセパレータ１３，１４と、を備える。単セル１１には、膜電極接合体１２の外周に、流体の漏洩を防止するとともに第１と第２のセパレータ１３，１４を接着する接着シール部１７が設けられている。なお、単セル１１には、反応ガスや冷媒が流通するマニホールドが、第１と第２のセパレータ１３，１４と接着シール部１７とを貫通する貫通孔として設けられているが、その図示および説明は省略する。

膜電極接合体１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１の両面に電極が配置された発電体である。電解質膜１は、イオン伝導性を有するポリマー（以下、「アイオノマー」と呼ぶ）の薄膜によって構成され、例えば、ナフィオン（Nafion：登録商標）などのフッ素樹脂系のイオン交換膜によって構成することができる。

電解質膜１の両面には、第１と第２の触媒層２，３が配置されている。第１と第２の触媒層２，３は、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ）など）が担持されており、ガス透過性およびガス拡散性を有する。

第１と第２の触媒層２，３は、水溶性溶媒または有機溶媒にアイオノマーと、触媒が担持された導電性粒子と、を溶媒に分散させた触媒インクを塗布・乾燥させることによって形成することができる。なお、本明細書では、第１と第２の触媒層２，３が配置された電解質膜１を「触媒担持電解質膜５」とも呼ぶ。

第１と第２の触媒層２，３の上にはそれぞれ、各触媒層２，３の全体に反応ガスを行き渡らせるための第１と第２のガス拡散層６，７が積層されている。第１と第２のガス拡散層６，７は、炭素繊維や黒鉛繊維などの導電性およびガス透過性・ガス拡散性を有する多孔質の繊維基材を用いることができる。

なお、燃料電池１０の運転時には、第１の触媒層２および第１のガス拡散層６には水素が供給され、第１の触媒層２および第１のガス拡散層６がアノードとして機能する。また、第２の触媒層３および第２のガス拡散層７には酸素が供給され、第２の触媒層３および第２のガス拡散層７がカソードとして機能する。

第１と第２のセパレータ１３，１４は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。第１のセパレータ１３は、アノード側に配置され、第２のセパレータ１４は、カソード側に配置される。各セパレータ１３，１４の、膜電極接合体１２と対向する側の面には、反応ガスのための流路溝１５が発電領域（電極が形成された領域）全体に渡って形成されている。なお、流路溝１５は省略されるものとしても良い。

ところで、本実施例の膜電極接合体１２では、アノード側とカソード側とで、各層の外周端の位置が異なっている。具体的には、アノード側では、第１の触媒層２および第１のガス拡散層６の外周端の位置は電解質膜１の外周端の位置とほぼ一致している。これに対して、カソード側では、第２の触媒層３の外周端は電解質膜１の外周端より内側に位置しており、第２のガス拡散層７の外周端は第２の触媒層３の外周端よりも内側に位置している。

このような構成によって、本実施形態の膜電極接合体１２では、以下に説明するような利点が得られる。本実施形態の膜電極接合体１２では、各触媒層２，３の外周端の位置が離間されているため、膜電極接合体１２の外周端において反応ガスが供給された側の電極とは反対側の電極へとリークする、いわゆるクロスリークの発生が抑制される。

また、第１のガス拡散層６の外周端が電解質膜１の外周端上に存在し、第２のガス拡散層７の外周端が第２の触媒層３の表面上に存在しているため、第１と第２のガス拡散層６，７の外周端の毛羽が電解質膜１の表面に直接的に突き刺さることが抑制される。

さらに、各ガス拡散層７，８が直接的に電解質膜１に接する部位がないため、各ガス拡散層７，８において発生した過酸化水素ラジカルを、電解質膜１に到達する前に、各触媒層２，３の触媒によって消失させることができる。従って、過酸化水素ラジカルによる電解質膜１の劣化が抑制される。

このように、本実施形態における膜電極接合体１２であれば、反応ガスのクロスリークが抑制され、第１と第２のガス拡散層６，７の毛羽や過酸化水素ラジカルに起因する電解質膜１の損傷・劣化が抑制される。この膜電極接合体１２は、以下のような製造工程によって効率的に製造することができる。

図２は、膜電極接合体１２の製造工程を示すフローチャートである。図３（Ａ）〜（Ｄ）は、図２のフローチャートに示されたステップＳ１０〜Ｓ３０の工程の内容を示す模式図である。ステップＳ１０では、電解質膜１を準備する（図３（Ａ））。なお、この段階では、電解質膜１は、膜電極接合体１２に組み付けられた完成状態のサイズよりも大きいサイズを有している。

ステップＳ２０では、電解質膜１の一方の面に第１の触媒層２を形成する（図３（Ｂ））。具体的には、第１の触媒層２は、フィルム基材２０の表面に触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成された触媒担持膜２ａを電解質膜１の一方の面に転写することによって、電解質膜１の表面全体を被覆するように形成される。

ステップＳ３０では、電解質膜のもう一方の面に第２の触媒層３を形成する（図３（Ｃ））。具体的には、第２の触媒層３は、ダイコーター３０によって、触媒インクを塗布して乾燥させることにより形成される。なお、第２の触媒層３は、電解質膜１の外周端より内側に外周端が位置するように形成される。これによって、触媒担持電解質膜５が形成される。

なお、ステップＳ２０，Ｓ３０における、第１と第２の触媒層２，３の形成工程は、上記の工程に限定されない。例えば、ステップＳ２０において、第１の触媒層２が、第２の触媒層３と同様に、触媒インクを電解質膜１に直接的に塗布することによって形成されるものとしても良い。また、ステップＳ３０において、第２の触媒層３が、フィルム基材２０に予め形成された触媒担持膜の転写によって形成されるものとしても良い。

ステップＳ４０では、触媒担持電解質膜５の第１の触媒層２の表面に第１のガス拡散層６が積層される（図３（Ｄ））。具体的には、第１のガス拡散層６を構成する繊維基材が第１の触媒層２の表面に配置され、ホットプレスなどによって接合される。以下では、触媒担持電解質膜５に第１のガス拡散層６が接合された積層構造を有する膜部材を「積層膜部材ＬＢ」と呼ぶ。

図４は、ステップＳ５０の裁断工程において用いられる裁断装置１００の構成を示す概略図である。ステップＳ５０では、積層膜部材ＬＢの外周縁部を裁断し、積層膜部材ＬＢを完成状態のサイズに加工する。裁断装置１００は、裁断加工の際に積層膜部材ＬＢを上下方向に挟持する上型部１１０と下型部１２０とを備える。

上型部１１０は、積層膜部材ＬＢの外周縁における切除対象である裁断部位を打ち抜くためのパンチ部１１１と、積層膜部材ＬＢの裁断部位以外の非裁断部位を鉛直上方向から押圧するための押圧部１１２と、を備える。パンチ部１１１および押圧部１１２はそれぞれ合金工具鋼鋼材によって構成され、共通の駆動機構（図示は省略）によって、ともに下方に移動可能に配置されている。

パンチ部１１１は、積層膜部材ＬＢの裁断部位と面接触する周状の底面を有している。パンチ部１１１は、その底面が積層膜部材ＬＢの載置面よりも下方まで瞬発的に移動することによって、積層膜部材ＬＢの裁断部位をパンチする。

押圧部１１２は、パンチ部１１１に囲まれた領域において水平に配置された平板状部材であり、下型部１２０に載置された積層膜部材ＬＢに面圧を付与できるように付勢機構１１３によって付勢されている。押厚部１１２は、その板面に垂直な方向に沿ってみたときに、下型部１２０において積層膜部材ＬＢの非裁断部位が載置される載置面とほぼ重なり合うように構成されている。

押圧部１１２の下型部１２０側の面には、外周凸部１１２ｔと、中央凹部１１２ｃと、が設けられている。外周凸部１１２ｔは、その上面が積層膜部材ＬＢの非裁断部位の外周縁部に面圧を付与できるように、押圧部１１２の外周縁部に設けられている。外周凸部１１２ｔの上面は、押圧部１１２が積層膜部材ＬＢを押圧していない状態のときには、押圧パンチ部１１１の底面よりも下方に突出している。この理由については後述する。

中央凹部１１２ｃは外周凸部１１２ｔに囲まれることによって形成された窪み部である。後述するように、中央凹部１１２ｃは、押圧部１１２が積層膜部材ＬＢを押圧した状態のときに積層膜部材ＬＢの触媒層３の逃げ部として機能する。

下型部１２０は、ダイ１２１と、受止部１２２と、吸着台１２４と、を備える。下型部１２０では、ダイ１２１の上面と、受止部１２２の上面と、載置板１２５の板面とが、同じ高さに位置していることによって、加工対象である積層膜部材ＬＢが載置される水平な載置面が形成されており、積層膜部材ＬＢの載置性が確保されている。

ダイ１２１は、積層膜部材ＬＢが載置される上面を有している。また、ダイ１２１は、上型部１１０のパンチ部１１１の内側の側面に対応して周状に設けられた側面であって、パンチ部１１１の打ち抜き方向（上下方向）に平行に延びる側面を有している。ダイ１２１は、パンチ部１１１に対して横方向（水平方向）に所定のクリアランスを有するように固定的に設置されている。ダイ１２１は、金工具鋼鋼材によって構成することができる。

受止部１２２は、積層膜部材ＬＢの外周縁部（裁断部位）が載置される上面を有している。受止部１２２の上面は、パンチ部１１１と対応するように、パンチ部１１１の底面と同様な形状を有している。また、受止部１２２は、ダイ１２１と隣り合う位置であってパンチ部１１１の底面と上下方向に沿って対向する位置において、上下方向に移動可能なように付勢機構１２３によって付勢されて設置されている。なお、受止部１２２は、パンチ部１１１の打ち抜きの際には、積層膜部材ＬＢの裁断部位を挟んでパンチ部１１１を受け止めつつ、下方に移動するが、その詳細については後述する。

吸着台１２４は、ダイ１２１に囲まれた領域に設置されており、負圧によって下型部１２０の載置面に積層膜部材ＬＢを吸着して保持する。吸着台１２４は、積層膜部材ＬＢの中央部位と面接触する載置板１２５と、載置板１２５の下側に設けられた負圧室１２７と、負圧室１２７に接続された吸引ポンプ１２８と、を備える。載置板１２５には、面全体にわたって複数の貫通孔１２６が形成されている。これによって、吸引ポンプ１２８の吸引動作によって負圧室１２７が負圧状態になったときに、載置板１２５に載置された積層膜部材ＬＢが載置板１２５に吸着される。

図５および図６は、ステップＳ５０における裁断工程の際の、裁断装置１００の動作を説明するための模式図である。図５（Ａ），（Ｂ）および図６（Ａ），（Ｂ）には、積層膜部材ＬＢが裁断装置１００にセットされ積層膜部材ＬＢの裁断加工が完了するまでを時系列で図示してある。

まず、裁断装置１００の上型部１１０と下型部１２０とが離間している初期状態において、下型部１２０の載置面に積層膜部材ＬＢが載置される（図５（Ａ））。具体的には、積層膜部材ＬＢの裁断部位が、下型部１２０の受止部１２２の上面に位置し、裁断部位以外の非裁断部位が、下型部１２０のダイ１２１の上面および吸着台１２４の上面に位置するように、積層膜部材ＬＢが下型部１２０の載置面に載置される。

ここで、積層膜部材ＬＢに含まれる電解質膜１は湿潤状態に応じて膨潤しやすい性質を有している。そのため、積層膜部材ＬＢは、電解質膜１の膨潤による変形量と、各触媒層２，３やガス拡散層６の膨潤による変形量と、の間の差に応じて、図示してあるように、湾曲などの歪みを生じてしまう可能性がある。

そこで、本実施形態の裁断装置１００では、吸着台１２４によって、積層膜部材ＬＢを載置板１２５に吸着させて、積層膜部材ＬＢの中央部位をほぼ水平にのばして保持する（図５（Ｂ））。なお、このように積層膜部材ＬＢを吸着台１２４に吸着させることによって、後のパンチ部１１による裁断部位の打ち抜き工程において積層膜部材ＬＢの配置位置が配置面に沿った方向へずれてしまうことを抑制することができる。

本実施形態の裁断装置１００では、上記のように積層膜部材ＬＢを下型部１２０に吸着させた状態で、押圧部１１２によって積層膜部材ＬＢを押圧しつつ、パンチ部１１１によるパンチを実行して、積層膜部材ＬＢの裁断部位を打ち抜く（図６（Ａ），（Ｂ））。具体的には、以下の通りである。

押圧部１１２およびパンチ部１１１は、共通の駆動部の駆動力によって、ともに下型部１２０に向かって下方に瞬発的に移動する。このとき、押圧部１１２の外周凸部１１２ｔの上面が、パンチ部１１１の底面より先に積層膜部材ＬＢに接触する（図６（Ａ））。そのため、パンチ部１１１が積層膜部材ＬＢの裁断部位に接触する前に、積層膜部材ＬＢの非裁断部位の外周縁部が外周凸部１１２ｔとダイ１２１とに挟持されて確実に保持された状態になる。なお、本実施形態の押圧部１１２は、中央凹部１１２ｃを有しているため、積層膜部材ＬＢの触媒層２，３の中央部が押圧部１１２による急激な面圧の付与によって著しく損傷してしまうことが抑制される。

その後、パンチ部１１１の底面が積層膜部材ＬＢの裁断部位と面接触し、積層膜部材ＬＢの裁断部位がパンチ部１１１の底面と受止部１２２の上面とに挟持された状態となる（図６（Ｂ））。そして、受止部１２２がパンチ部１１１の衝突力を吸収しつつ、パンチ部１１１とともに下型部１２０の載置面よりも低く沈み込むように下方に移動する。これによって、積層膜部材ＬＢの裁断部位はパンチ部１１１と受止部１２２とに挟持された状態で、積層膜部材ＬＢの非裁断部位から離間する。このようにして、積層膜部材ＬＢは、パンチ部１１１とダイ１２１の互いに対向する角部（エッジ）によって、裁断部位と非裁断部位とにせん断される。

図７は、裁断装置１００による積層膜部材ＬＢの裁断工程をより詳細に説明するための説明図である。図７には、積層膜部材ＬＢが裁断されたときの裁断装置１００におけるパンチ部１１１とダイ１２１と受止部１２２の一部が図示してある。ここで、パンチ部１１１とダイ１２１との間のクリアランスｘは、１０μｍ以下であることが好ましい（ｘ≦１０μｍ）。これによって、より正確な位置で積層膜部材ＬＢを裁断することができ、裁断装置１００における裁断精度を向上させることができる。

また、裁断装置１００は、裁断の際に積層膜部材ＬＢの裁断部位がパンチ部１１１と受止部１２２との間からすり抜けてしまうことを抑制できるように構成されていることが望ましい。より具体的には、パンチ部１１１および受止部１２２と積層膜部材ＬＢとの間に積層膜部材ＢＬの裁断部位のすり抜けが抑制される適切な摩擦力が生じるように、パンチ部１１１の押圧力（打ち抜き速度）が制御されるものとしても良い。あるいは、積層膜部材ＬＢとの接触面積を確保できるように、パンチ部１１１の底面や受止部１２２の上面を構成するものとしても良いし、パンチ部１１１の底面や受止部１２２の上面に摩擦係数を増大させる部材や微小なパターンを配置するものとしても良い。

このように、本実施形態の裁断装置１００では、押圧部１１２によって積層膜部材ＬＢを確実に保持した上で、パンチ部１１１によるパンチによって積層膜部材ＬＢの裁断部位を打ち抜くことができる。また、押圧部１１２とパンチ部１１１とを共通の駆動部で駆動することができるため、効率的に裁断部位の打ち抜きを実行することができる。

図８（Ａ），（Ｂ）は、本実施例の裁断装置１００に対する第１の比較例としての裁断装置１００ａによる積層膜部材ＬＢの裁断工程を示す模式図である。図８（Ａ）には、比較例の裁断装置１００ａによる積層膜部材ＬＢの裁断前の状態を図示してあり、図８（Ｂ）には、比較例の裁断装置１００ａによる積層膜部材ＬＢの裁断後の状態を図示してある。本実施形態の裁断装置１００はパンチ部１１１によるパンチ加工（打ち抜き加工）によって積層膜部材ＬＢの裁断を実行する。これに対して、比較例の裁断装置１００ａは、切削加工によって積層膜部材ＬＢの裁断を実行する。

比較例の裁断装置１００ａの上型部１１０ａの構成は、パンチ部１１１に換えて切削刃１１４を備えている点と、押圧部１１２に外周凸部１１２ｔおよび中央凹部１１２ｃが設けられていない点以外は、本実施形態の裁断装置１００の上型部１１０と同じである。また、比較例の裁断装置１００ａは、下型部１２０に換えて、加工対象である積層膜部材ＬＢを載置するための載置板１３０を備えている。載置板１３０は、例えば、積層膜部材ＢＬの全体を載置できるサイズのＭＣナイロンなどの樹脂フィルム基材によって構成することができる。

比較例の裁断装置１００ａでは、切削刃１１４の刃先が積層膜部材ＬＢを厚み方向に貫通することによって積層膜部材ＬＢを裁断するため、切削刃１１４の刃先は、積層膜部材ＬＢの裁断のたびに載置板１３０と接触する。そのため、比較例の裁断装置１００ａでは、切削刃１１４の刃先に刃こぼれなＳＰどの摩耗が生じて、その裁断性能が低下しやすい。また、比較例の裁断装置１００ａでは、載置板１３０の表面が切削刃１１４との接触によって損傷ＣＲなどの摩耗を生じやすい。載置板１３０が損傷していると、積層膜部材ＬＢの載置性が低下して、裁断位置がずれ、裁断線が歪むなど、裁断精度の低下の原因となる。

これに対して、本実施形態の裁断装置１００では、パンチ部１１１によるパンチによって積層膜部材ＬＢを裁断するため、比較例の裁断装置１００ａの切削刃１１４の刃こぼれＳＰや載置板１３０の損傷ＣＲが発生しない。即ち、本実施例の裁断装置１００であれば、積層膜部材ＬＢの裁断工程を繰り返し実行した場合であっても、装置の構成部品の摩耗によって、裁断精度が低下してしまうことが抑制される。

また、比較例の裁断装置１００ａの載置板１３０には、本実施形態の裁断装置１００の吸着台１２４のような、積層膜部材ＬＢを吸着する機構が設けられていない。また、押圧部１１２には、外周凸部１１２ｔおよび中央凹部１１２ｃが設けられていないため、積層膜部材ＬＢと密着する面積が多い。そのため、裁断工程の後に、上型部１１０ａを載置板１３０から離間させたときに、積層膜部材ＬＢが上型部１１０ａの押圧部１１２に張り付いて、押圧部１１２とともに持ち上げられてしまい、積層膜部材ＬＢの劣化を誘発する可能性がある。

図９は、裁断装置１００における受止部１２２の機能を説明するための模式図である。図９（Ａ），（Ｂ）には、本実施形態の裁断装置１００の第２の比較例としての裁断装置１００ｂにおける積層膜部材ＬＢの裁断工程を図示してある。より具体的には、図９（Ａ）にパンチ部１１１による打ち抜き前の状態を図示してあり、図９（Ｂ）にパンチ部１１１による打ち抜き後の状態を図示してある。なお、比較例の裁断装置１００ｂは、下型部１２０ｂが受止部１２２を備えていない点以外は、本実施形態の裁断装置１００とほぼ同じである。

ここで、押圧部１１２やダイ１２１、吸着台１２４によって保持されていない積層膜部材ＬＢの裁断部位は、比較的展延性の低いガス拡散層６と、比較的展延性の高い電解質膜１との積層体である。そのため、パンチ部１１１によって当該部位を打ち抜いたときには、ガス拡散層６の外周部位６ｐが分離・脱落して、電解質膜１および触媒層２がパンチ部１１１とダイ１２１の間隙に入り込んでしまう可能性がある（図９（Ｂ））。

しかし、本実施形態の裁断装置１００であれば、前記したように、裁断工程の際には、下型部１２０の受止部１２２がパンチ部１１１とともに積層膜部材ＢＬの裁断部位を挟持したまま、パンチ部１１１とともに下方に移動する（図７）。そのため、裁断部位の電解質膜１や触媒層２が非裁断部位から分離せずにパンチ部１１１とダイ１２１との間隙に入り込んでしまうことが抑制される。このように、本実施形態の裁断装置１００であれば、展延性の高い電解質膜１を含む積層膜部材ＬＢであっても、パンチ部１１１のパンチによる打ち抜き力と、パンチ部１１１と受止部１２２との挟持力と、によって確実に裁断することができる。

図１０は、ステップＳ６０（図２）における第２のガス拡散層７の配置工程を示す模式図である。ステップＳ６０では、裁断部位が裁断された積層膜部材ＬＢの第２の触媒層３の上に、第２のガス拡散層７を構成する繊維基材が配置され、ホットプレスによって接合される。なお、第２のガス拡散層７は、その外周端を第２の触媒層３の外周端の内側に配置することができるように、第２の触媒層３よりも小さいサイズで準備されている。

以上のように、本実施形態の製造工程であれば、裁断装置１００を用いて、クロスリークの発生や電解質膜１の劣化が抑制される膜電極接合体１２を効率的に製造することができる。また、本実施形態の裁断装置１００であれば、膜電極接合体１２を連続的に繰り返し製造する場合であっても、裁断装置１００の構成部の摩耗・劣化による裁断精度の低下が抑制される。さらに、本実施形態の裁断装置１００であれば、下型部１２０や上型部１１０の押圧部１１２によって、裁断工程の際の加工対象の保持性が確保されている。また、吸着台１２４の負圧吸引により、裁断工程の後に加工対象が押圧部１１２に張り付いて損傷してしまうことを抑制できる。

B．変形例：
B1．変形例１：
上記実施形態では、裁断装置１００は、電解質膜１を含む積層膜部材ＬＢを加工対象としていた。しかし、裁断装置１００の加工対象は、電解質膜１を含む積層膜部材ＬＢでなくとも良い。裁断装置１００は、単層の電解質膜１を裁断するものとしても良いし、燃料電池を構成部材以外の膜部材を裁断するものとしても良い。上述したように、裁断装置１００はパンチ部１１１と受止部１２２との挟持力を利用して膜部材を確実に裁断することができ、電解質膜１のような展延性の高い膜部材や、展延性の高い膜部材と展延性の低い膜部材とが積層された積層部材の加工に適している。なお、本明細書における「膜部材」とは、厚みが例えば数百μｍ以下である部材を意味し、固体高分子の薄膜や樹脂製のフィルム基材、織物を構成する繊維基材によって構成されている部材を含む。

B2．変形例２：
上記実施形態では、裁断装置１００は受止部１２２が付勢機構１２３によって付勢されて設置されていたが付勢機構１２３は省略されても良い。ただし、受止部１２２が付勢機構１２３によって付勢されていることによって、パンチ部１１１のパンチによる打ち抜きの際の衝撃力を吸収することができるため、裁断加工の繰り返しによる装置の劣化を抑制することができる。なお、受止部１２２は、付勢機構１２３に換えて衝撃吸収剤によって保持されるものとしても良い。

B3．変形例３：
上記実施形態では、裁断装置１００の受止部１２２はパンチ部１１１と対応するように、その上面がパンチ部１１１の底面と同様な形状を有していた。しかし、受止部１２２の上面は、パンチ部１１１の底面と同様な形状を有していなくとも良い。受止部１２２の上面は、例えば、パンチ部１１１の底面より面積が小さく構成されていても良いし、その一部が省略されていても良い。ただし、受止部１２２の上面がパンチ部１１１の底面と同様な形状を有していることにより、加工対象の裁断部位を確実に挟持することができ、裁断精度を向上させることができる。

B4．変形例４：
上記実施形態では、裁断装置１００の下型部１２０は、ダイ１２１の上面と、受止部１２２の上面と、載置板１２５の板面とが、同じ高さに位置していることによって、加工対象である積層膜部材ＬＢが載置される水平な載置面が形成されていた。しかし、少なくとも、受止部１２２の上面は、ダイ１２１の上面や載置板１２５の板面と異なる高さに位置していても良い。ただし、受止部１２２の上面が、ダイ１２１の上面や載置板１２５の板面とともに水平な載置面を構成することにより、下型部１２０における積層膜部材ＬＢの載置性が確保されるため好ましい。

B5．変形例５：
上記実施形態では、裁断装置１００は、パンチ部１１１による打ち抜き加工によって積層膜部材ＬＢの裁断を実行していた。しかし、裁断装置１００は、パンチ部１１１による打ち抜き加工によって積層膜部材ＬＢの裁断を実行しなくても良い。裁断装置１００は、パンチ部１１１と受止部１２２とによって積層膜部材ＬＢの裁断部位を挟持したまま、押圧部１１２および吸着台１２４を含む積層膜部材ＬＢの非裁断部位を保持する保持部との距離が増大するように移動して、裁断部位と非裁断部位とを分離させるものとしても良い。即ち、裁断装置１００は、パンチ部１１１と受止部１２２とによって挟持された積層膜部材ＬＢの裁断部位を、その挟持方向に交わる方向に移動させて、裁断部位と非裁断部位とを分離・切断するものとしても良い。なお、当該挟持方向に交わる方向は、パンチ部１１１の角部が積層部材ＬＢに食い込み、積層膜部材ＬＢにせん断力を発生させることができる方向であることが望ましい。
B6．変形例６：
上記実施形態では、裁断装置１００は、積層膜部材ＬＢの外周縁部を周状に裁断していたが、裁断装置１００は積層膜部材ＬＢの外周縁部以外の部位を裁断するものとしても良い。

B7．変形例７：
上記実施形態では、裁断装置１００は、上型部１１０の押圧部１１２や、下型部１２０の吸着台１２４を備えていた。しかし、裁断装置１００は、押圧部１１２が省略されるものとしても良いし、吸着台１２４が省略されるものとしても良い。ただし、裁断装置１００は、押圧部１１２や吸着台１２４を備えていることによって加工対象の保持性を確保することができるため、押圧部１１２や吸着台１２４を備えている方が好ましい。

B8．変形例８：
上記実施形態では、押圧部１１２は外周凸部１１２ｔおよび中央凹部１１２ｃを有していた。しかし、押圧部１１２は外周凸部１１２ｔおよび中央凹部１１２ｃを有していなくても良い。ただし、押圧部１１２が外周凸部１１２ｔおよび中央凹部１１２ｃを有していることによって、積層膜部材ＬＢにおける非裁断部位の外周縁部の保持性を向上させつつ、積層膜部材ＬＢの押圧による触媒層２，３の中央部位の損傷を抑制することができる。また、上記実施形態では、押圧部１１２によって積層膜部材ＬＢが押圧されていないときに、外周凸部１１２ｔの上面がパンチ部１１１の底面より突出するように構成されていた。外周凸部１１２ｔとパンチ部１１１とがそのように構成されていれば、パンチ部１１１と押圧部１１２とを共通の駆動部によって同時に下方に移動させた場合に、外周凸部１１２ｔをパンチ部１１１より先に積層膜部材ＬＢに接触させることができる。従って、押圧部１１２による積層膜部材ＬＢの非裁断部位の保持性を確保した上で、パンチ部１１１による裁断部位の打ち抜きを行うことができ、積層膜部材ＬＢの裁断性を向上させることができる。

B9．変形例９：
上記実施形態では、膜電極接合体１２は、第２の触媒層３の外周端が電解質膜１の外周端の内側に位置し、第２のガス拡散層７の外周端が第２の触媒層３の外周端より内側に位置していた。しかし、膜電極接合体１２は他の構成を有しているものとしても良い。例えば、第１の触媒層２の外周端も、第２の触媒層３の外周端と同様に、電解質膜１の外周端より内側に位置しているものとしても良く、第１のガス拡散層６の外周端が第１の触媒層２の外周端より内側に位置しているものとしても良い。

なお、本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…電解質膜
２…第１の触媒層
２ａ…触媒担持膜
３…第２の触媒層
５…触媒担持電解質膜
６…第１のガス拡散層
６ｐ…外周部位
７…第２のガス拡散層
１０…燃料電池
１１…単セル
１２…膜電極接合体
１３…第１のセパレータ
１４…第２のセパレータ
１５…流路溝
１７…接着シール部
２０…フィルム基材
３０…ダイコーター
１００…裁断装置
１００ａ…裁断装置（第１の比較例）
１００ｂ…裁断装置（第２の比較例）
１１０…上型部
１１０ａ…上型部（第１の比較例）
１１１…パンチ部
１１２…押圧部
１１２ｔ…外周凸部
１１２ｃ…中央凹部
１１３…付勢機構
１１４…切削刃
１２０…下型部
１２０ｂ…下型部（第２の比較例）
１２１…ダイ
１２２…受止部
１２３…付勢機構
１２４…吸着台
１２５…載置板
１２６…貫通孔
１２７…負圧室
１２８…吸引ポンプ
１３０…載置板
ＢＬ…積層膜部材
ＣＲ…損傷
ＬＢ…積層膜部材

Claims (7)

1. 燃料電池用電解質膜として用いられる膜部材を裁断する裁断装置であって、
   前記膜部材の第１の部位を保持する保持部と、
   前記保持部と前記膜部材の面に沿った方向に隣り合う位置において前記膜部材の前記第２の部位を挟持する挟持部と、
   を備え、
   前記第２の部位を前記挟持部に挟持させたまま、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離を増大させて前記第１と第２の部位を分離させる、裁断装置。
2. 請求項１記載の裁断装置であって、
   前記挟持部は、
   前記第２の部位をパンチするパンチ部と、
   前記パンチ部によるパンチの際に前記パンチ部を前記第２の部位を挟んで受け止めつつ、前記パンチ部とともに前記第２の部位を挟持した状態で、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離が増大するように移動する受止部と、
   を備える、裁断装置。
3. 請求項２記載の裁断装置であって、
   前記受止部は、前記パンチ部のパンチ方向と平行な方向に付勢されて設置されている、裁断装置。
4. 請求項２または３記載の裁断装置であって、
   前記パンチ部と前記受止部とが前記第２の部位を挟持した状態のときの、前記パンチ部と前記保持部との間の前記膜部材の面に沿った方向におけるクリアランスが１０μｍ以下である、裁断装置。
5. 請求項１記載の裁断装置であって、
   前記挟持部に挟持されている前記第２の部位と、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離を、前記挟持部の挟持方向に交わる方向に増大させて前記第１と第２の部位を分離させる、裁断装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の裁断装置であって、
   前記保持部は、
   前記第１の部位が載置される載置面と、
   負圧を発生させて、前記載置面に前記第１の部位を吸着させる負圧発生部と、
   を備える、裁断装置。
7. 燃料電池用電解質膜として用いられる膜部材の裁断方法であって、
   （ａ）前記膜部材の第１の部位を保持部に保持させる工程と、
   （ｂ）前記膜部材の第２の部位を挟持部に挟持させる工程と、
   （ｃ）前記第２の部位を前記挟持部に挟持させたまま、前記保持部に保持されている前記第１の部位との距離を増大させて前記第１と第２の部位とを分離させる工程と、
   を備える、裁断方法。

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