JP2008108468A - 燃料電池用膜、膜電極接合体及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用膜を識別でき、燃料電池及び膜電極接合体の組立の間違いを防止可能な燃料電池用膜、膜電極接合体及び燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の燃料電池用膜は、表面の少なくとも一部には識別特性を有する識別部が備えられていることを特徴とする。本発明の燃料電池用膜によれば、膜の所定位置に識別部を設けることにより、膜を識別することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を構成する燃料電池用膜、膜電極接合体及び燃料電池に関するものである。

近年、世界の経済成長と共にエネルギーの消費が急激に大きくなり、環境の悪化が懸念されている。そのような状況下、環境問題やエネルギー問題などの解決策として、酸素や空気などの酸化剤ガスと、水素やメタンなどの還元剤ガス（燃料ガス）を原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池の開発が注目されている。

燃料電池は、使用される電解質の種類によって分類される。例えば、溶融炭酸塩形、りん酸形、固体高分子形、固体酸化物形などが挙げられる。その中、近年固体高分子形燃料電池は多くの利点を有するため、最も注目されている。固体高分子形燃料電池は、基本的に、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、電解質膜の両面に形成された白金族金属を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層、及び触媒層の外面に形成され、通気性及び導電性を併せ持つ拡散層から構成される。拡散層と触媒層とを合わせて触媒電極とする。

高分子膜の両面に触媒電極をそれぞれ取り付けたものが膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と呼ばれる。ＭＥＡの外側には、ＭＥＡを機械的に固定すると共に、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。

ＭＥＡとセパレータ板とを交互に積層して燃料電池のスタックを構成している。このような高分子形燃料電池では、アノード及びカソード電極層の形状は同一であり、且つ中心軸に対して対称な形状であった。従って、このような燃料電池は、アノード及びカソード電極層の形状が共通で方向性を持たない場合、ＭＥＡの組立時にアノードとカソード電極層の誤組み合わせのおそれが高い。そのため、アノード電極層同士や、カソード電極層同士の組み合わせ、あるいはアノードとカソード電極層の逆転などの問題が発生するおそれがある。また、燃料電池スタックの組立時においても、ＭＥＡは方向性を持たないために、アノードとカソード電極層の逆転が生じるというおそれがある。

これらの問題の解決方法として、いくつかの従来技術があった。例えば、特開２００３−３３１８５１（以下、特許文献１と称する）は、このような固体高分子型電解質膜を用いた燃料電池の技術を開示している。特許文献１では、各触媒層および各ガス拡散層の少なくとも一つにマーキングが施され、アノードとカソード電極層の識別が可能となった。具体的に、実施されたマーキングは、触媒層または拡散層の角部を少なくとも一箇所以上コーナーカット（以下、Ｃカットと称する）することによって、中心軸に対して非対称な形状とすることが可能となった。
特開２００３−３３１８５１号公報 特開２００１−２５３７６３号公報 特開２００６−１７９２２１号公報 特開平７−１８３０３３号公報 特開２００３−１１５３１９号公報 特開２００４−１７９１２４号公報 特開２００２−３６７６６２号公報

特許文献１では、触媒層または拡散層にＣカットを実施することにより、ＭＥＡ膜は中心軸に対して非対称な形状となるため、ＭＥＡを積層して燃料電池スタックを形成する際、歪んだ形になりやすく、燃料電池スタックの安定性に不利である。また、Ｃカットを実施することにより、セパレータ板に形成されたガス流路の均一性が悪くなり、デッドスペースが生まれやすい問題に加え、セパレータの設計の難易度が増大される。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、燃料電池用膜を識別でき、燃料電池及び膜電極接合体の組立の間違いを防止可能な燃料電池用膜、膜電極接合体、燃料電池及び燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。

本発明の燃料電池用膜は、表面の少なくとも一部には識別特性を有する識別部が備えられていることを特徴とする。また、本発明の燃料電池用膜の識別特性は、光学的、磁気的、視覚的、または触覚的特性のうちの少なくともひとつであることが好ましい。光学的特性は、光吸収および／または光反射性に基づく識別性である。磁気的に特性は、磁極、磁束密度などによる識別性である。視覚的特性は、人の肉眼による識別性である。触覚的特性は、接触面の表面状態により接触面との圧力の変化による識別性である。光学的、磁気的、視覚的、または触覚的特性を有する識別部を燃料電池用膜の表面の少なくとも一部に備えることにより、燃料電池用膜の表面と裏面が識別でき、作業者や製造装置などが膜の表面の表裏を区別することができる。特に、膜の表面、裏面には異なる性質を有する際、膜の表面、裏面の区別に有効である。なお、燃料電池用膜は、電解質膜及び／またはその付属物（例えば、補強膜）を含む。

また、本発明の燃料電池用膜の識識別部は、文字、数字、記号、模様、凸凹状態のうちの少なくともひとつで構成されていることが好ましい。識別部として、文字、数字、記号、模様、または凸凹状態などが例示できる。また、バーコード、ＯＲコードが例示できる。

また、本発明の燃料電池用膜は厚み方向に透光性を有し、識別部は表面からの輪郭と裏面からの輪郭とが非対称な形状であることが好ましい。燃料電池用膜が厚み方向に透光性を有することにより、識別部の輪郭は表面と裏面から観察した際、輪郭が非対称な形状であるため、表面であるか裏面であるかを識別することができる。つまり、識別部が非対称な形状であることにより、裏面視輪郭と表面視輪郭が一致しないことから、膜の表面と裏面を識別することができる。

また、本発明の燃料電池用膜は非透光性または難透光性を有し、識別部は、膜の表面に設けられていることが好ましい。膜が厚み方向に透光性を有しない、または光を透過させることが難しい場合において、識別部は膜の表面の一方に設けることにより、膜の表面、裏面を識別することができる。つまり、識別部が設けられた面を予め決めれば、少なくとも識別部の有無から膜の表面裏面を識別することができる。

また、本発明の燃料電池用膜は表面視の輪郭と裏面視の輪郭とが一致する形状であることが好ましい。これにより、膜の表面視の輪郭と裏面視輪郭が一致する場合においても、識別部から膜の表面裏面を区別することができる。つまり、膜の形状から膜の表裏が区別できない場合には、識別部から膜の表裏を識別することができる。

また、本発明の燃料電池用膜は表面視の輪郭と裏面視の輪郭とが相違する形状であることが好ましい。これにより、膜の表面視輪郭と裏面視の輪郭が一致しない形状を有するため、膜の形状から膜の表面の表裏を確認することもできる。つまり、膜自体の形状からも識別部を構成することができ、膜の表面の表裏を識別することができる。また、膜の表面に設けられた識別部が積層加工などによって識別部が重なって認識できなくなった場合でも、膜自体の形状から膜または膜構造の表裏を識別することができる。

また、本発明の燃料電池用膜の識別部は、膜の表裏、上下、左右のうちの少なくともひとつを識別する機能を有することが好ましい。識別部を構成する文字、数字、記号、模様、または凸凹状態などの形状もしくは膜上の配置により、膜の表面と裏面が区別できると共に、膜の上下、左右などの位置関係を区別することもできる。つまり、識別部の識別特性に基づき、膜に配置された識別部の位置、形状などから膜の表面の表裏、上下、左右などの情報を表示することができる。

また、本発明の燃料電池用膜の識別部は、印刷、機械刻印、切削加工、インクスタンプ、インクジェット、エッチング、熱による刻印、光による刻印、プレス加工、付着加工のうち少なくともひとつにより形成できる。なお、染料、インクなどを使用して識別部を形成する際、染料、インクの組成が加熱分解しにくいものが好ましい。好ましくは、レーザービームの高エネルギー密度ビームなどを用いて照射（熱）によって膜の表面が炭化され識別部が形成される。このように、識別部の形成に伴って発生する生成物が膜の性能に悪い影響を与えにくい識別部の形成方法が好ましい。

本発明の燃料電池用膜は、有機高分子膜であることが好ましい。なお、これに限らず、無機系の膜でもよく、要するに燃料電池用膜はイオン伝導性を有するものであれば良い。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）は、表面の少なくとも一部には識別特性を有する識別部が備えられた燃料電池用膜と、燃料電池用膜の表面の一方の面に積層されたアノード電極層と、燃料電池用膜の表面の他方の面に積層されたカソード電極層と、を備えることを特徴とする。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）を製造する際、燃料電池用膜の表面と裏面が識別でき、作業者や製造装置などが燃料電池用膜の表面の表裏を区別することができる。

また、本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）は、アノード電極層がアノード触媒層とアノード拡散層と備え、カソード電極層がカソード触媒層とカソード拡散層とを備えることが好ましい。また、本発明の膜電極接合体は、アノード電極層とカソード電極層とは異なる組成（同一でない組成）で構成されていることが好ましい。例えば、アノード触媒層はＣの担体に担持されたＰｔとＲｕの合金からなり、カソード触媒層はＣの担体に担持されたＰｔからなる。したがって、このようにアノード電極層とカソード電極層の組成が異なるとき（同一でないとき）、膜電極接合体を製造する際においてアノード電極層とカソード電極層を区別して組み立てる必要がある。本発明の膜電極接合体が識別部を備えるため、膜電極接合体をセパレータで挟持して単セルを構成する際、膜電極接合体の表裏などの情報が識別でき、アノード電極層とカソード電極層を区別して組み立てることができる。このため、アノード電極層とカソード電極層の組立の間違いによって発生する製品問題を未然に防ぐことができる。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の識別特性は、光学的、磁気的、視覚的、または触覚的特性のうちの少なくともひとつであることが好ましい。これらの特性を有する識別部を膜電極接合体の表面の少なくとも一部に備えることにより、膜電極接合体の表面と裏面が区別でき、操作者や製造装置などによりＭＥＡの表面の表裏を識別することができる。このため、ＭＥＡの表面、裏面には異なる性質を有する際、ＭＥＡの表面、裏面を識別して作業することができる。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の識識別部は、文字、数字、記号、模様、凸凹状態のうちの少なくとも一つで構成されていることが好ましい。識別部として、文字、数字、記号、模様、または凸凹状態などが例示できる。また、バーコード、ＯＲコードが例示できる。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の燃料電池用膜は厚み方向に透光性を有し、識別部は表面からの輪郭と裏面からの輪郭とが非対称な形状であることが好ましい。ＭＥＡの燃料電池用膜が厚み方向に透光性を有することにより、識別部の輪郭は表面と裏面から観察した際、輪郭が非対称な形状であるため、表面であるか裏面であるかが識別できる。つまり、識別部が非対称な形状であることにより、裏面視輪郭と表面視輪郭が一致しないことから、ＭＥＡの表面と裏面を識別することができる。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の燃料電池用膜は非透光性または難透光性を有し、識別部は、燃料電池用膜の表面に設けられていることが好ましい。ＭＥＡの燃料電池用膜が厚み方向に透光性を有しない、または光を透過させることが難しい場合において、識別部はＭＥＡの表面の一方に設けることにより、ＭＥＡの表面、裏面を識別することができる。つまり、識別部が設けられた面を予め決めれば、少なくとも識別部の有無からＭＥＡの表面裏面を識別することができる。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の燃料電池用膜は表面視の輪郭と裏面視の輪郭とが一致する形状であることが好ましい。これにより、ＭＥＡの表面視の輪郭と裏面視輪郭が一致する場合においても、識別部からＭＥＡの表面裏面を区別することができる。つまり、ＭＥＡの形状からＭＥＡの表裏が区別できない場合には、識別部からＭＥＡの表裏を識別することができる。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の燃料電池用膜は表面視の輪郭と裏面視の輪郭とが相違する形状であることが好ましい。これにより、ＭＥＡの表面視輪郭と裏面視の輪郭が一致しない形状を有するため、ＭＥＡの形状からＭＥＡの表面の表裏を確認することもできる。つまり、ＭＥＡ自体の形状からも識別部を構成することができ、ＭＥＡの表面の表裏を識別することができる。また、ＭＥＡの表面に設けられた識別部が積層加工などによって識別部が重なって認識できなくなった場合でも、ＭＥＡ自体の形状からＭＥＡまたはＭＥＡ構造の表裏を識別することができる。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の識別部は、膜の表裏、上下、左右のうちの少なくともひとつを識別する機能を有することが好ましい。更には、ＭＥＡまたは膜の材質、製造者、製造工程を示す機能を有していても良い。識別部を構成する文字、数字、記号、模様、または凸凹状態などの形状もしくは燃料電池用膜上の配置により、ＭＥＡの表面と裏面が区別できると共に、燃料電池用膜の上下、左右などの位置関係を区別することもできる。つまり、識別部の識別特性に基づき、ＭＥＡに配置された識別部の位置、形状などからＭＥＡの膜の表面の表裏、上下、左右などの情報を表示することができる。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の識別部は、印刷、機械刻印、切削加工、インクスタンプ、インクジェット、エッチング、熱による刻印、光による刻印、プレス加工、付着加工のうち少なくともひとつにより形成されることができる。なお、染料、インクなどを使用して識別部を形成する際、染料、インクの組成が加熱分解しにくいものが好ましい。好ましくは、レーザービームなどの高エネルギー密度ビームを用いて照射（熱）によってＭＥＡの膜の表面が炭化され識別部が形成される。このように、識別部の形成に伴って発生する生成物がＭＥＡの燃料電池用膜の性能に悪い影響を与えにくい識別部の形成方法が好ましい。

本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の燃料電池用膜は、有機高分子膜であることが好ましい。なお、これに限らず、ＭＥＡを構成する燃料電池用膜はイオン伝導性を有するものであれば良い。

本発明の燃料電池は、表面の少なくとも一部には識別特性を有する識別部が備えられた燃料電池用膜と燃料電池用膜の表面の一方の面に積層されたアノード電極層と燃料電池用膜の表面の他方の面に積層されたカソード電極層とを備える膜電極接合体と、アノード電極層の外側に設けられた第１セパレータと、カソード電極層の外側に設けられた第２セパレータとを有することを特徴とする。これにより、燃料電池を製造する際、作業者や製造装置などが燃料電池用膜の表面の表裏などを識別することができ、燃料電池を正しく組み付けることができる。

本発明の燃料電池は、アノード電極層がアノード触媒層とアノード拡散層と備え、カソード電極層がカソード触媒層とカソード拡散層とを備えることが好ましい。

本発明の燃料電池は、アノード電極層とカソード電極層とは異なる組成（同一でない組成）で構成されていることが好ましい。アノード電極層とカソード電極層の組成が異なるとき、膜電極接合体を製造する際においてアノード電極層とカソード電極層を区別して組み立てる必要がある。本発明の燃料電池が識別部を備えるため、膜電極接合体をセパレータで挟持して単セルを構成する際、膜電極接合体の表裏などの情報が識別でき、アノード電極層とカソード電極層を区別して組み立てることができる。このため、アノード電極層とカソード電極層の組立の間違いによって発生する製品問題を未然に防ぐことができる。

本発明の燃料電池の識別特性は、光学的、磁気的、視覚的、または触覚的特性のうちの少なくともひとつであることが好ましい。これらの特性を有する識別部を膜電極接合体の表面の少なくとも一部に備えることにより、膜電極接合体の表面と裏面が区別でき、操作者や製造装置などによりＭＥＡの表面の表裏を識別することができる。このため、ＭＥＡの表面、裏面には異なる性質を有する際、ＭＥＡの表面、裏面を識別して作業することができる。

本発明の燃料電池の識識別部は、文字、数字、記号、模様、凸凹状態のうちの少なくとも一つで構成されていることが好ましい。識別部として、文字、数字、記号、模様、または凸凹状態などが例示できる。また、バーコード、ＯＲコードが例示できる。

本発明の燃料電池の燃料電池用膜は厚み方向に透光性を有し、識別部は表面からの輪郭と裏面からの輪郭とが非対称な形状であることが好ましい。ＭＥＡの燃料電池用膜が厚み方向に透光性を有することにより、識別部の輪郭は表面と裏面から観察した際、輪郭が非対称な形状であるため、表面であるか裏面であるかが識別できる。つまり、識別部が非対称な形状であることにより、裏面視輪郭と表面視輪郭が一致しないことから、ＭＥＡの表面と裏面を識別することができる。

本発明の燃料電池の燃料電池用膜は非透光性または難透光性を有し、識別部は、燃料電池用膜の表面に設けられていることが好ましい。ＭＥＡの燃料電池用膜が厚み方向に透光性を有しない、または光を透過させることが難しい場合において、識別部はＭＥＡの表面の一方に設けることにより、ＭＥＡの表面、裏面を識別することができる。つまり、識別部が設けられた面を予め決めれば、少なくとも識別部の有無からＭＥＡの表面裏面を識別することができる。

本発明の燃料電池の燃料電池用膜は表面視の輪郭と裏面視の輪郭とが一致する形状であることが好ましい。これにより、ＭＥＡの表面視の輪郭と裏面視輪郭が一致する場合においても、識別部からＭＥＡの表面裏面を区別することができる。つまり、ＭＥＡの形状からＭＥＡの表裏が区別できない場合には、識別部からＭＥＡの表裏を識別することができる。

本発明の燃料電池の燃料電池用膜は表面視の輪郭と裏面視の輪郭とが相違する形状であることが好ましい。これにより、ＭＥＡの表面視輪郭と裏面視の輪郭が一致しない形状を有するため、ＭＥＡの形状からＭＥＡの表面の表裏を確認することもできる。つまり、ＭＥＡ自体の形状からも識別部を構成することができ、ＭＥＡの表面の表裏を識別することができる。また、ＭＥＡの表面に設けられた識別部が積層加工などによって識別部が重なって認識できなくなった場合でも、ＭＥＡ自体の形状からＭＥＡまたはＭＥＡ構造の表裏を識別することができる。

本発明の燃料電池の識別部は、膜の表裏、上下、左右のうちの少なくともひとつを識別する機能を有することが好ましい。これにより、ＭＥＡの表裏が識別できると共に、燃料電池を構成するセパレータに形成されたガス流路の上流域や下流域などの上下左右などの位置関係を識別することができ、流路の設計や制御などに有利である。

本発明の燃料電池の識別部は、印刷、機械刻印、切削加工、インクスタンプ、インクジェット、エッチング、熱による刻印、光による刻印、プレス加工、付着加工のうち少なくともひとつにより形成できる。なお、染料、インクなどを使用して識別部を形成する際、染料、インクの組成が加熱分解しにくいものが好ましい。好ましくは、レーザービームなどの高エネルギー密度ビームを用いて照射（熱）によってＭＥＡの膜の表面が炭化による識別部が形成される。このように、識別部の形成に伴って発生する生成物がＭＥＡの膜の性能に悪い影響を与えにくい識別部形成方法が望まれる。

本発明の燃料電池の燃料電池用膜は、有機高分子膜であることが好ましい。なお、これに限らず、ＭＥＡを構成する燃料電池用膜はイオン伝導性を有するものであれば良い。

本発明の燃料電池の燃料電池用膜は、アノード電極層、カソード電極層より大きい面積を持ち、アノード電極層、カソード電極層の表面に沿う外延方向の側端面より突出する外延部を有し、識別部は外延部の表面に設けられていることが好ましい。これにより、燃料電池用膜の中央部に電極層が配置され、電極層より外側に電極層の側端面より突出する外延部を設けられている。外延部の表面に識別部を設けることにより、燃料電池用膜の表面において、識別部は電極層から離れて配置される。このため、識別部の物性などにより電極層への影響が少なくなる。

本発明の燃料電池は、各膜電極接合体は識別部を外延部の一方の表面に有することが好ましい。識別部は、外延部において外延部の一方の表面に設けることにより、燃料電池の組み付ける作業を行う際、ＭＥＡの表裏、上下、左右などを判別しやすく、誤組立の防止に有利である。

また、本発明の燃料電池用膜、膜電極接合体、燃料電池において、燃料電池用膜は、イオン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜の外面に設けられ電解質膜を補強する補強膜とを備えており、識別部は補強膜の外面の所定位置に設けられていることが好ましい。これにより、燃料電池用膜の外延部を介して燃料電池スタックを重なって積層するとき、燃料電池用膜（外延部を含み）の強度を維持することができる。

本発明の燃料電池の膜電極接合体の積層順に基づいて識別部は一定の規則を有することが好ましい。一定の規則とは、順番を示したり、暗示したりする規則であり、ある一定の規則を満たす数列、また模様などのものである。例えば：数列１、２、３・・・、数列１、３、５・・・、英字列Ａ、Ｂ、Ｃ、ひらがな列あ、い、う・・・などの一定の規則を有するものである。なお、識別部を同一のもので構成することもできる。例えば：「カ」などの非対称な文字を用いることができる。

また、本発明の燃料電池の製造方法は、燃料電池用膜と燃料電池用膜の表面の一方の面に積層されたアノード電極層と燃料電池用膜の表面の他方の面に積層されたカソード電極層とを備えた膜電極接合体を準備し、膜電極接合体の燃料電池用膜の表面の少なくとも一部に識別特性を有する識別部を形成する膜電極接合体準備工程と、膜電極接合体を厚み方向に挟むように第１セパレータ及び第２セパレータを設け、識別部に基づき膜電極接合体を所定の方向に配置してセル構造体を組み立てるセル構造体組立工程と、を有することを特徴とする。この方法によれば、燃料電池を製造する際、作業者や製造装置などが燃料電池用膜の表面の表裏などを識別することができ、燃料電池を正しく組み付けることができる。

本発明の燃料電池用膜によれば、膜の所定位置に識別部を設けることにより、膜を識別することができる。例えば、膜の表裏、上下、左右などの方向性を識別することができる。また、本発明の燃料電池を構成するＭＥＡのアノード電極層とカソード電極層が区別でき、正しくＭＥＡを組み付けることができる。さらに、ＭＥＡの表裏、上下、左右が識別され、燃料電池スタックの製造工程での取り間違えることを解消できる。また、膜自体の形状が維持できるため、Ｃカットなどの切割工程により発生する燃料電池スタックの構造上の歪みが解消でき、セパレータ板やガス流路の設計に有利である。このように、本発明によれば、燃料電池用膜の表裏、上下、左右などを識別でき、燃料電池の組立の間違いを防止することが可能である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。

（実施形態１）
本実施形態の燃料電池用膜の概念図を図１に示す。なお、本実施形態では、燃料電池用膜は膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成するものである。以下、燃料電池用膜を電解質膜１と称する。図１に示すように、電解質膜１の表面中央部において電極層２（Ａ、Ｂ）が設けられている。電解質膜１は電極層２（２Ａ，２Ｂ）より大きい面積を有する。また、図２はＭＥＡの断面図を示すものである。図２から分かるように、電解質膜１の二つの表面（１Ａ，１Ｂ）に電極層２Ａ，２Ｂがそれぞれ設けられている。また、電極層２Ａ、２Ｂの側端面２１１より電解質膜１が突出して外延部１１０を形成している。外延部１１０の表面１１１には、識別部３が設けられている。なお、識別部３は外延部１１０の二つの表面１１１の一面に設けられている。また、本実施形態の電解質膜１は光透過性を有するものである。本実施形態の電解質膜１は、高分子イオン交換膜である。

識別部３は、インク質のマーキングＭから構成される。また、図１に示すように、マーキングＭは印刷された文字、例えば「カ」で構成することができる。図３は電解質膜１の裏面１Ｂを示すものである。図３から分かるように、電解質膜１の表面１Ａ（図１に示す）とは反対に、電解質膜１の裏面１Ｂ（図３）には識別部３のマーキングＭが逆の文字「カ」と写されている。このように、識別部３から電解質膜１の表面１Ａと裏面１Ｂを識別することができる。

次に、具体的に本実施形態の膜電極接合体（ＭＥＡ）及び燃料電池の製造方法について説明する。図４はＭＥＡの基本構造を示す平面概念図である。図５はＭＥＡの断面概念図を示したものである。

図５に示すように、電解質膜１の表面の中央部に、アノード触媒層２１Ａ、カソード触媒層２１Ｂが設けられている。電解質膜１の外延部１１０の表面１１１には電解質膜１の強度を維持するための補強膜４が設置されている。補強膜４は外延部１１０の表面１１１を包囲し、中央部に位置する触媒層２１Ａ，２１Ｂと若干重なるように形成されている。さらに、触媒層２１Ａ，２１Ｂの外面には、多孔質のガス拡散層２２Ａ，２２Ｂが形成されている。なお、電極層２Ａは触媒層２１Ａとガス拡散層２２Ａ、とからなり、電極層２Ｂは触媒層２１Ｂとガス拡散層２２Ｂとからなる。また、補強膜４が取付られた場合には、識別部３は補強膜４の外面４１の所定位置に設けられる。

ガス拡散層２２Ａ、２２Ｂは、まず市販のカーボンペーパーＴＧＰ−Ｈ−６０（東レ株式会社、１９０μ）にＶＸＣ−７２Ｒ（キャボット、３８０ｍ^２／ｇ）１００ｇとポリフロンＤ−１（ダイキン工業、ＰＴＦＥディスパージョン、固形分６０ｗｔ％）１６６．７ｇ、分散剤、純水を混練したペーストを含浸したものを、８０度で１時間予備乾燥した後、３８０度で１時間焼成したものである。

カソード触媒層２１Ｂは、Ｐｔ担持カーボンＴＥＣ１０Ｅ７０ＴＰＭ（田中貴金属製Ｐｔ６７ｗｔ％）１０ｇ、ＳＳ−１１００／０５（イオン交換樹脂５ｗｔ％、旭化成製）８２．５ｇ、イオン交換水３８ｇをサンドミル（ジルコニアボール２Φ、周速１５ｍ／Ｓ）にて、一時間分散したもの（イオン交換樹脂／Ｐｔ−Ｃ中のＣ＝１．２５）を、ペースト状にし、ガス拡散層２２Ａにドクターブレードにてギャップ２５０μ（約１ｍｇＰｔ／ｃｍ^２）で塗布したものである。

アノード触媒層２１Ａは、白金ルテニウム担持カーボンＴＥＣ６２Ｅ５８（田中貴金属製Ｐｔ２７．８ｗｔ％、Ｒｕ２８．８ｗｔ％、Ｐｔ：Ｒｕ原子比＝１：２）１０ｇ、ＳＳ−１１００／０５（イオン交換樹脂５ｗｔ％、旭化成製）１０８．５ｇ、イオン交換水３８ｇをサンドミル（ジルコニアボール２Φ、周速１５ｍ／Ｓ）にて、一時間分散したもの（イオン交換樹脂／Ｐｔ−Ｃ中のＣ＝１．２５）を、ペースト状にし、ガス拡散層２２Ｂにドクターブレードにてギャップ２００μ（約０．２５ｍｇＰｔ／ｃｍ^２）で塗布したものである。

また、本実施形態に用いた電解質膜１はイオン交換膜ゴア３０−ＩＩＩ−Ｂ（ジャパンゴアテックス）である。

なお、本実施形態では、電解質膜１の厚さは３０μｍであり、触媒層２１Ａ、２１Ｂの厚さは８〜１５μｍであり、ガス拡散層２２Ａ，２２Ｂの厚さは２１０〜２５０μｍである。

反応面積１００ｃｍ^２に打ち抜いた電極層２（Ａ，Ｂ）を１２ｃｍ角に切り抜いた電解質膜１の両側に配置し、１４０度、８ＭＰａの圧力下、３分間ホットプレスしてＭＥＡを形成する。

ＭＥＡを後述するセパレータ５（図６に示す）で挟んで燃料電池セルを構成する際、ガス拡散層２２Ａを介してアノード触媒層側２１Ａには改質ガス（ＣＯや硫黄などを含む）が供給されている。一方、カソード触媒層側２１Ｂには、ガス拡散層２２Ｂを介して酸素ガスが供給される。これにより発電反応を行う。

ＣＯ等はＰｔ電極に強い吸着性を有するため、Ｐｔ電極に強く吸着して表面を覆ってＰｔの触媒活性を阻害する。いわゆる、Ｐｔ触媒のＣＯによる被毒である。主にＰｔで構成されたカソード触媒層２１Ｂに比べ、Ｐｔ−Ｒｕ合金で構成されたアノード触媒層２１ＡはＣＯ、硫黄などの被毒に耐性を持っている。つまり、被毒を防止するために、Ｐｔ−Ｒｕ合金で構成されたアノード触媒２１Ａに燃料ガスが供給される。燃料ガスにはＣＯが含まれている場合がある。このため、アノード触媒層２１Ａとカソード触媒層２１Ｂを識別してＭＥＡを組み付ける必要がある。

このように、ＭＥＡの電解質膜１の表裏両面（１Ａ，１Ｂ）にそれぞれ性質の違った電極層２Ａ，２Ｂが配置されているため、ＭＥＡの表裏を識別する必要がある。アノード電極層２Ａ、カソード電極層２Ｂの誤組みつけは触媒電極の被毒に繋がり、燃料電池の性能にダメージを与える。

図６は、ＭＥＡとセパレータ５Ａ，５Ｂとを有する燃料電池セルＳの概念図である。セパレータ５Ａ、５Ｂはシーリング部材５２を介してＭＥＡに接着され、ガス流路５１Ａ，５１Ｂを形成している。ガス流路５１Ａ、５１Ｂには、燃料ガスと酸素ガスがそれぞれ運ばれる。これにより、燃料ガスはアノード電極層２Ａに、酸素ガスはカソード電極層２Ｂに供給される。

また、電解質膜１に設けられた識別部３はセパレータ５（Ａ，Ｂ）のシーリング部材５２より外側にあり、燃料電池セルＳの表裏を識別することができると共に、識別部３のマーキングＭを構成するインクなどの染料成分がガス流路に入りにくい。電池セルＳをスタック化（複数のセルでセル構造化）する際、識別部３によりカソード電極層２Ｂとアノード電極層２Ａを識別することができる。また、組み込み後（スタック化後）、識別部３のマーキングＭが接着部分に入り、外観に影響しない。図７は同じマーキングＭで識別部３を構成するセル構造である。図７に示すように、所定方向にセルＳがスタック化されているため、マーキングＭが電解質膜１の所定位置に現れる。なお、図７はセパレータ５（Ａ，Ｂ）を省略した説明図である。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池（図４、図５に示す）は、表面の少なくとも一部には識別特性を有する識別部３が備えられイオン伝導性を有する電解質膜１と電解質膜１の表面の一方の面（表面１Ａ）に積層されたアノード電極層２Ａと電解質膜１の表面の他方の面（裏面１Ｂ）に積層されたカソード電極層２Ｂとを備える膜電極接合体ＭＥＡと、アノード電極層２Ａの外側に設けられた第１セパレータ５Ａと、カソード電極層２Ｂの外側に設けられた第２セパレータ５Ｂとを備えるセルＳからなる。これにより、燃料電池を製造する際、電解質膜１の表面１Ａと裏面１Ｂが識別でき、作業者や製造装置などが膜１の表面の表裏を識別することができ、燃料電池を正しく組み付けることができる。

また、本実施形態の燃料電池（図５、図６に示す）は、アノード電極層２Ａがアノード触媒層２１Ａとアノード拡散層２２Ａと備え、カソード電極層２Ｂがカソード触媒層２１Ｂとカソード拡散層２２Ｂとを備える。

また、本実施形態の燃料電池は、アノード触媒層２１Ａとカソード触媒層２１Ｂとは異なる組成（同一でない組成）であり、膜電極接合体ＭＥＡを製造する際においてアノード電極層２Ａとカソード電極層２Ｂを区別して組み立てる必要がある。本実施形態の燃料電池が識別部３を備えるため、膜電極接合体ＭＥＡをセパレータ５で挟持して単セルＳを構成する際、膜電極接合体ＭＥＡの表裏などの情報を読み取ることができ、アノード電極層２Ａとカソード電極層２Ｂを区別して組み立てることができる。このため、アノード電極層２Ａとカソード電極層２Ｂの組立の間違いによって発生する製品問題を未然に防ぐことができる。

また、本実施形態の燃料電池の電解質膜１（図２、図５に示す）は、アノード電極層２Ａ、カソード電極層２Ｂより大きい面積を持ち、アノード電極層２Ａ、カソード電極層２Ｂの表面に沿う外延方向の側端面２１１（図２に示す）より突出する外延部１１０を備え、識別部３は外延部１１０の表面に設けられている。これにより、電解質膜１の中央部に電極層２Ａ，Ｂが配置され、電極層２Ａ，Ｂより外側に電極層２Ａ，Ｂの側端面２１１より突出する外延部１１０を設けられている。外延部１１０の表面に識別部３を設けることにより、電解質膜１の表面において、識別部３は電極層２Ａ，Ｂから離れて配置される。このため、識別部３の物性などにより電極層２Ａ，Ｂへの影響が少なくなる。

また、本実施形態の燃料電池は、積層により形成されたセル積層体Ｓ内のすべての膜電極接合体（ＭＥＡ）の外延部１１０の一方の表面に識別部３を設ける。識別部３を外延部１１０において外延部の一方の表面に設けることにより、燃料電池を組み付ける作業を行う際、ＭＥＡの表裏を判別しやすく、誤組立の防止に有利である。

（実施形態２）
本実施形態では、識別部３は同一のマーキングＭで構成する必要がないため、一定の規則を有する文字列、数字列などで識別部３を構成することができる。図８に示すように、一定の規則を有する数字列のマーキングＭで識別部３を構成するセル構造である。同様に、バーコード、ＱＲコードなどで識別部３を構成することもでき、数字列のマーキングＭで識別部３を構成することにより、電解質膜１を特定することもでき、燃料電池の検査、評価などに有効である。なお、図８はセパレータ５（Ａ，Ｂ）を省略した説明図である。

（実施形態３）
本実施形態では、図９に示すように、電解質膜１にマーキングＭとコーナーカットＣとを共有する識別部３が設けられている。識別部３をマーキングＭとコーナーカットＣで構成することにより、電解質膜１の表裏関係がより容易に判別することができる。

（実施形態４）
本実施形態の燃料電池の電解質膜１は厚み方向に透光性を有し、識別部３は表面からの輪郭と裏面からの輪郭とが非対称な形状である。ＭＥＡの電解質膜１が厚み方向に透光性を有することにより、識別部３の輪郭は表面と裏面から観察した際、輪郭が非対称な形状であるため、表面であるか裏面であるかが識別できる。つまり、識別部３が非対称な形状であることにより、裏面視輪郭と表面視輪郭が一致しないことから、ＭＥＡの表面と裏面を識別することができる。

（実施形態５）
本実施形態の燃料電池の電解質膜１は非透光性または難透光性を有し、識別部３は、電解質膜１の表面に設けられている。ＭＥＡの電解質膜１が厚み方向に透光性を有しない、または光を透過させることが難しい場合において、識別部３はＭＥＡの表面の一方に設けることにより、ＭＥＡの表面、裏面を識別することができる。つまり、識別部３が設けられた面を予め決めれば、少なくとも識別部３の有無からＭＥＡの表面裏面を識別することができる。

（実施形態６）
本実施形態の燃料電池の電解質膜１（図１、図３に示す）は表面視の輪郭と裏面視の輪郭とが一致する形状である。これにより、ＭＥＡの表面視の輪郭と裏面視輪郭が一致する場合においても、識別部３からＭＥＡの表面裏面を区別することができる。つまり、ＭＥＡの形状からＭＥＡの表裏が区別できない場合には、識別部３からＭＥＡの表裏を識別することができる。

（実施形態７）
本実施形態の燃料電池の電解質膜１（図９に示す）は表面視の輪郭と裏面視の輪郭とが相違する形状である。これにより、ＭＥＡの表面視輪郭と裏面視の輪郭が一致しない形状を有するため、ＭＥＡの形状からＭＥＡの表面の表裏を確認することもできる。つまり、ＭＥＡ自体の形状からも識別部３を構成することができ、ＭＥＡの表面の表裏を識別することができる。また、ＭＥＡの表面に設けられた識別部３が積層加工などによって識別部３が重なって認識できなくなった場合でも、ＭＥＡ自体の形状からＭＥＡまたはＭＥＡ構造の表裏を識別することができる。

（実施形態８）
本実施形態の燃料電池の識別部３は、電解質膜１の表裏、上下、左右のうちの少なくともひとつを識別する機能を有する。これにより、ＭＥＡの表裏が識別できると共に、燃料電池を構成するセパレータ５に形成されたガス流路の上流域や下流域などの上下左右などの位置関係を識別するとこができ、流路の設計や制御などに有利である。

（実施形態９）
本実施形態の燃料電池の識別部３は印刷により形成される。なお、染料、インクなどを使用して識別部３を形成する際、染料、インクの組成が加熱分解しにくいものが使用される。

（実施形態１０）
本実施形態の燃料電池の識別部３はレーザービームなどの高エネルギー密度ビームを用いて照射（熱）によってＭＥＡの膜１の表面が炭化による識別部３が形成される。

このように、識別部３の形成に伴って発生する生成物がＭＥＡの膜１の性能に悪い影響を与えにくい識別部３形成方法がよい。

（実施形態１１）
本実施形態の燃料電池は、外延部１１０の表面１１１に設けられ電解質膜１を補強する補強膜４が設けられている。また、本実施形態の燃料電池は、識別部３は補強膜４の外面の所定位置に設けられている。これにより、電解質膜１の外延部１１０を介して燃料電池スタックＳを重なって積層するとき、電解質膜１（外延部を含み）の強度を維持することができる。

（実施形態１２）
本実施形態の燃料電池の製造方法は、イオン伝導性を有する電解質膜１と電解質膜１の表面の一方の面（１Ａ）に積層されたアノード電極層２Ａと電解質膜１の表面の他方の面（１Ｂ）に積層されたカソード電極層２Ｂとを備え膜電極接合体ＭＥＡを準備し、膜電極接合体ＭＥＡの電解質膜１の表面（１Ａ，１Ｂ）の少なくとも一部に識別特性を有する識別部３を形成するする膜電極接合体準備工程と、膜電極接合体ＭＥＡを厚み方向に挟むように第１セパレータ５Ａ及び第２セパレータ５Ｂを設け、識別部３に基づき膜電極接合体ＭＥＡを所定の方向に配置してセル構造体を組み立てるセル構造体組立工程とを有する。膜電極接合体準備工程を本実施形態の燃料電池の製造方法に取り込むことにより、膜電極接合体ＭＥＡを製造する段階からＭＥＡの方向性などの情報を識別することができ、ＭＥＡ電極層の誤組み付けや、燃料電池の組立の間違いなどを防止することができる。

本発明の燃料電池用膜、膜電極接合体及び燃料電池は、燃料電池の設計、製造、評価などに使用することができる。

燃料電池用膜の平面（表面）概念図である。 燃料電池用膜の断面概念図である。 燃料電池用膜の裏面概念図である。 燃料電池を構成する膜電極接合体の平面概念図である。 燃料電池を構成する膜電極接合体の断面概念図である。 燃料電池セルの断面概念図である。 燃料電池に係るセルのスタック化（組立）工程を示す概念図である。 燃料電池に係るセルのスタック化（組立）工程を示す概念図である。 燃料電池に係る識別部の変形形態を示す平面概念図である。

符号の説明

１：（燃料電池用）電解質膜 １Ａ：表面 １Ｂ：裏面
１１０：外延部 １１１：外延部表面
２、電極層２Ａ アノード電極層 ２Ｂ：カソード電極層
２１：触媒層 ２１Ａ：アノード触媒層 ２１Ｂ：カソード触媒層
２２：拡散層 ２２Ａ：アノード拡散層 ２２Ｂ：カソード拡散層
３：識別部 Ｍ：マーキング Ｃ：コーナーカット
４：補強膜 ４１：補強膜外表面
５：セパレータ ５Ａ：第１セパレータ ５Ｂ：第２セパレータ
５１Ａ，５１Ｂ：流路 ５２：シーリング部材
Ｓ：燃料電池セル

Claims (8)

1. 表面の少なくとも一部には識別特性を有する識別部が備えられていることを特徴とする燃料電池用膜。
2. 請求項１において、前記識識別部は、文字、数字、記号、模様、凸凹状態のうちの少なくともひとつで構成されていることを特徴とする燃料電池用膜。
3. 請求項１において、前記燃料電池用膜は、表面視の輪郭と裏面視の輪郭とが相違する形状であることを特徴とする燃料電池用膜。
4. 表面の少なくとも一部には識別特性を有する識別部が備えられた燃料電池用膜と、
   前記燃料電池用膜の表面の一方の面に積層されたアノード電極層と、
   前記燃料電池用膜の表面の他方の面に積層されたカソード電極層と、を備えることを特徴とする膜電極接合体。
5. 表面の少なくとも一部には識別特性を有する識別部が備えられた燃料電池用膜と、前記燃料電池用膜の表面の一方の面に積層されたアノード電極層と、前記燃料電池用膜の表面の他方の面に積層されたカソード電極層とを備える膜電極接合体と、
   前記アノード電極層の外側に設けられた第１セパレータと、
   前記カソード電極層の外側に設けられた第２セパレータとを有することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５において、前記燃料電池用膜は、前記アノード電極層、前記カソード電極層より大きな面積を持ち、前記アノード電極層、前記カソード電極層の表面に沿う外延方向の側端面より突出する外延部を有し、前記識別部は前記外延部の表面に設けられていることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項５または６のいずれか１項において、前記膜電極接合体の積層順に基づいて前記識別部は一定の規則を有することを特徴とする燃料電池。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において、前記燃料電池用膜は、イオン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜の外面に設けられ前記電解質膜を補強する補強膜とを備えており、前記識別部は前記補強膜の外面の所定位置に設けられていることを特徴とする燃料電池。

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