JP2012089308A - 燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程で、多孔質拡散層を高精度に位置決めすることができ、高品質な電解質膜・電極構造体を効率的且つ確実に製造することを可能にする。
【解決手段】電解質膜・電極構造体１０の製造方法は、ガス拡散層２８ａ、２８ｂの外周縁部に位置決め部を設ける工程と、前記位置決め部を基準にして、前記ガス拡散層２８ａ、２８ｂの表面に下地層２６ａ、２６ｂを塗布する工程と、前記位置決め部を基準にして、一対の前記ガス拡散層２８ａ、２８ｂの間に固体高分子電解質膜１８を挟持して積層体を得る工程と、前記積層体をホットプレスすることにより、一対の前記ガス拡散層２８ａ、２８ｂと前記固体高分子電解質膜１８とを一体化させる工程と、一体化された前記積層体の外周トリミング部を、前記位置決め部を含んで除去する工程とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層が設けられ、前記電極触媒層の外側に一対の多孔質拡散層が積層される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用として使用されている。

この種の電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の表面積が、この固体高分子電解質膜の両面に積層されているガス拡散層の表面積よりも大きく構成され、前記固体高分子電解質膜の外周端面が各ガス拡散層の外周端面よりも外方に突出する膜突出型ＭＥＡや、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定され、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の表面積に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。

このため、電解質膜・電極構造体を製造する際に、それぞれ寸法の異なる固体高分子電解質膜とガス拡散層とを互いに位置決めして接合する必要がある。従って、電解質膜・電極構造体の製造作業が煩雑化している。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている作製方法が知られている。この作製方法は、図２０に示すように、位置決め用のガイドピン１ａが四隅に設けられた平板状の第１治具１の上面に、前記ガイドピン１ａを挿通させるための孔２ａが四隅に設けられ、中央部に触媒層付きガス拡散層を配するための開口２ｂが形成された第１枠体２が配設されている。第１枠体２の開口２ｂには、空気極触媒付きガス拡散層である第１電極３が配設されている。

そして、第１電極３の上面から第１枠体２の上面まで延在して、電解質膜４が配設された後、前記電解質膜４には、第２電極５が第２枠体６を介して配設されている。この第２枠体６には、ガイドピン１ａが挿入される孔６ａが四隅に設けられるとともに、中央には、第２電極５が配設される開口６ｂが形成されている。

さらに、第２枠体６には、第２治具７が積層されるとともに、この第２治具７の四隅に設けられている孔７ａに、ガイドピン１ａが挿入されている。第１治具１と第２治具７とにより、第１電極３、電解質膜４及び第２電極５が挟持された後、ホットプレスによってこれらが一体に接合されている。

特開２００４−３０３６２７号公報

上記の特許文献１では、第１電極３及び第２電極５は、それぞれ第１治具１に対して４本のガイドピン１ａを介して配設される第１枠体２及び第２枠体６を介して位置決めされている。このため、実際上、第１枠体２の４つの孔２ａにそれぞれガイドピン１ａを挿入して、前記第１枠体２を第１治具１上に配置する作業と、第２枠体６の４つの孔６ａに各ガイドピン１ａを挿入して、前記第２枠体６を電解質膜４上に配置する作業とが必要となっている。

従って、前記第１及び第２枠体２、６の着脱作業は、相当に煩雑化するという問題がある。これにより、ＭＥＡの製作作業に相当の時間を要してしまい、効率的な作製作業が遂行されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、多孔質拡散層を高精度に位置決めすることができ、高品質な電解質膜・電極構造体を効率的且つ確実に製造することが可能な燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層が設けられ、前記電極触媒層の外側に一対の多孔質拡散層が積層される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法に関するものである。

この製造方法は、多孔質拡散層の外周縁部に位置決め部を設ける工程と、前記位置決め部を基準にして、前記多孔質拡散層の表面に電極触媒層に接合される下地層を塗布する工程と、前記位置決め部を基準にして、一対の前記多孔質拡散層の間に固体高分子電解質膜を挟持して積層体を得る工程と、前記積層体をホットプレスすることにより、一対の前記多孔質拡散層と前記固体高分子電解質膜とを一体化させる工程と、一体化された前記積層体の外周トリミング部を、前記位置決め部を含んで除去する工程とを有している。

また、この製造方法は、多孔質拡散層の表面に下地層が塗布された後、位置決め部を基準にして、少なくとも前記下地層に接着層を塗布する工程を有することが好ましい。

さらに、この製造方法は、多孔質拡散層の外周縁部に位置決め部を設けると同時に、少なくとも一方の前記多孔質拡散層の外周縁部に、後に切り離される分離部位を設けることが好ましい。

さらにまた、この製造方法では、分離部位は、少なくとも一方の多孔質拡散層に断続的又は連続的に設けられた切り込み形状を有することが好ましい。

また、この製造方法では、位置決め部は、少なくとも２つの孔部を有することが好ましい。

本発明によれば、多孔質拡散層の外周縁部に位置決め部が設けられた後、この位置決め部を基準にして、下地層を塗布する工程、積層体を得る工程及び前記積層体をホットプレスする工程が行われている。従って、各工程は、位置決め部基準で容易且つ高精度に行われ、作業者による位置合わせのばらつきが良好に解消される。

このため、多孔質拡散層を位置決めするために、専用の枠部材（位置決め部材）を用いる必要がなく、前記枠部材の取り扱い作業が不要になる。これにより、簡単な工程で、多孔質拡散層を高精度に位置決めすることができ、高品質な電解質膜・電極構造体を効率的且つ確実に製造することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る製造方法が適用される電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。 ロール状カーボンペーパ及びピナクルダイの説明図である。 アノード側カーボンペーパの説明図である。 カソード側カーボンペーパの説明図である。 下地層印刷工程の説明図である。 接着層印刷工程の説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程を説明する斜視図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程を説明する斜視図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程を説明する斜視図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程を説明する斜視図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程を説明する斜視図である。 積層体をホットプレスする際の説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程を説明する斜視図である。 前記電解質膜・電極構造体の製造工程を説明する斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。 別の分離部位を説明するアノード側カーボンペーパの斜視図である。 前記アノード側カーボンペーパの、図１８中、ＸＩＸ−ＸＩＸ線断面図である。 特許文献１に開示されたＭＥＡの作製方法の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る製造方法が適用される電解質膜・電極構造体１０が組み込まれる固体高分子型燃料電池１２は、前記電解質膜・電極構造体１０を挟持する第１及び第２セパレータ１４、１６を備える。第１及び第２セパレータ１４、１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

図３に示すように、電解質膜・電極構造体１０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２とを備える。

アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８及びカソード側電極２２よりも小さな表面積を有する。なお、アノード側電極２０とカソード側電極２２とは、同一の表面積であってもよく、また、前記カソード側電極２２が前記アノード側電極２０よりも小さな表面積を有していてもよい。

アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる。カソード側電極２２は、上記のアノード側電極２０と同様に、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。

アノード側電極２０及びカソード側電極２２は、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに接合される電極触媒層２４ａ、２４ｂと、前記電極触媒層２４ａ、２４ｂに下地層２６ａ、２６ｂを介して積層されるガス拡散層（多孔質拡散層）２８ａ、２８ｂと、前記固体高分子電解質膜１８に前記ガス拡散層２８ａ、２８ｂを接合する接着層２９ａ、２９ｂとを設ける。

電極触媒層２４ａ、２４ｂは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜１８の両面に印刷、塗布又は転写することによって構成される。高分子電解質としては、例えば、デュポン社製のナフィオンが用いられる。

下地層２６ａ、２６ｂは、カーボンブラック及びＦＥＰ（四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体）粒子とカーボンナノチューブをペースト状にした後、ガス拡散層２８ａ、２８ｂに塗布される。ガス拡散層２８ａ、２８ｂは、カーボンペーパ等からなる。

ガス拡散層２８ｂの平面は、ガス拡散層２８ａの平面よりも大きく設定されるとともに、前記ガス拡散層２８ｂは、電極触媒層２４ｂ及び下地層２６ｂの外周端面から突出して固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂ全体を覆う。ガス拡散層２８ａの外周端面には、後述するように、固体高分子電解質膜１８にホットプレスにより一体化された後、外周縁部５８ａが切り離された分離面５４ａが形成される。

図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２は、電解質膜・電極構造体１０の外部に露呈する固体高分子電解質膜１８に当接する第１凸状シール４２ａと、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に介装される第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する複数の供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する複数の排出孔部４８とが形成される。

このように構成される燃料電池１２において、電解質膜・電極構造体１０を製造する方法について、以下に説明する。

先ず、図４に示すように、ガス拡散層２８ａ、２８ｂを構成する基材としてロール状カーボンペーパ５０が用意される。ロール状カーボンペーパ５０が巻き出されるとともに、前記ロール状カーボンペーパ５０の先端部５０ａには、加工型、例えば、ピナクルダイ５２によるアノード形状ミシン目加工と組み立て基準加工の同時加工が行われる。なお、ピナクルダイ５２に代えて、例えば、トムソン刃等を使用してもよい。

ピナクルダイ５２は、アノード側とカソード側とに対応して２種類用意される。アノード側のピナクルダイ５２は、図示しないが、一対の両刃とミシン刃とを備え、ロール状カーボンペーパ５０の先端部５０ａにアノード側の加工処理が施される。

このため、図５に示すように、先端部５０ａには、ガス拡散層２８ａの外径寸法に沿ってミシン刃による分離部位５４が設けられると同時に、前記ガス拡散層２８ａの外部領域（トリミングラインの外方）に対応して複数、例えば、２つの孔部である位置決め部５６ａ、５６ｂが一対の両刃により形成されて、アノード側カーボンペーパ（多孔質拡散層）５８が得られる。

分離部位５４は、例えば、アノード側カーボンペーパ５８の厚さ方向に断続的に切り欠いて形成されるミシン目を有する。なお、後述するように、ホットプレス処理後に、外周縁部５８ａを分離部位５４から切り離すことができるものであればよく、種々の構成が採用可能である。

一方、カソード側のピナクルダイ５２は、一対の両刃を備え、ロール状カーボンペーパ５０の先端部５０ａにカソード側の加工処理が施される。従って、図６に示すように、先端部５０ａには、製品形状を構成するトリミングライン５９の外方に対応して複数、例えば、２つの位置決め部５６ａ、５６ｂが一対の両刃により形成されて、カソード側カーボンペーパ（多孔質拡散層）６０が得られる。

アノード側カーボンペーパ５８及びカソード側カーボンペーパ６０は、例えば、トリミング前の固体高分子電解質膜１８の外径寸法と略同一の外径寸法に形成される。アノード側カーボンペーパ５８及びカソード側カーボンペーパ６０には、それぞれの表面に撥水液による撥水化処理が施される。

次いで、アノード側カーボンペーパ５８は、図７に示すように、下地層印刷工程に移行される。アノード側カーボンペーパ５８は、静電吸着テーブル６２上に保持されるとともに、前記アノード側カーボンペーパ５８に設けられている位置決め部５６ａ、５６ｂがカメラ（図示せず）により撮影され、スクリーン印刷装置６４が前記位置決め部５６ａ、５６ｂを認識する。

スクリーン印刷装置６４は、認識した位置決め部５６ａ、５６ｂを基準にして、静電吸着テーブル６２とスクリーン６６との相対位置を調整する。そして、ペースト６８がスキージ７０を介して印刷処理される。これにより、アノード側カーボンペーパ５８には、電極触媒層２４ａの領域内に対応して撥水剤とカーボン粒子の混合物からなる下地層２６ａが塗布される。

下地層２６ａが塗布されたアノード側カーボンペーパ５８は、図８に示すように、接着層印刷工程に移行される。アノード側カーボンペーパ５８は、静電吸着テーブル７２上に保持されるとともに、前記アノード側カーボンペーパ５８に設けられている位置決め部５６ａ、５６ｂがカメラ（図示せず）により撮影され、スクリーン印刷装置７４が、前記位置決め部５６ａ、５６ｂを認識する。

スクリーン印刷装置７４は、認識した位置決め部５６ａ、５６ｂを基準にして、静電吸着テーブル７２とスクリーン７６との相対位置を調整する。そして、ペースト７８がスキージ８０を介して印刷処理されることにより、アノード側カーボンペーパ５８には、下地層２６ａの外周縁部と前記アノード側カーボンペーパ５８の表面とにわたって接着層２９ａが塗布される。

また、カソード側カーボンペーパ６０は、上記のアノード側カーボンペーパ５８と同様に、下地層印刷工程により電極触媒層２４ｂの領域内に対応して撥水剤とカーボン粒子の混合物からなる下地層２６ｂが塗布される。さらに、カソード側カーボンペーパ６０は、接着層印刷工程により接着層２９ｂが塗布される。

次に、アノード側カーボンペーパ５８は、図９に示すように、第１治具８２上に位置決め保持される。この第１治具８２には、位置決め部５６ａ、５６ｂに挿入される位置決めピン８４ａ、８４ｂが設けられる。第１治具８２は、アノード側カーボンペーパ５８を吸引又は静電により吸着するための吸着手段（図示せず）を備えている。

一方、図１０に示すように、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに電極触媒層２４ａ、２４ｂを塗布したＰＥＭユニット８６が用意され、このＰＥＭユニット８６が位置決めテーブル８８上に配置される。位置決めテーブル８８上では、ＰＥＭユニット８６の位置決め作業が、例えば、カメラ等を使用した画像処理によって行われる。

そして、位置決めされたＰＥＭユニット８６は、位置決めテーブル８８から第１治具８２に受けわたされる。このため、ＰＥＭユニット８６は、第１治具８２に吸着保持されているアノード側カーボンペーパ５８上に吸着保持される。

また、図１１に示すように、カソード側カーボンペーパ６０は、第２治具９０に設けられている位置決めピン９２ａ、９２ｂを位置決め部５６ａ、５６ｂに挿入させることにより、前記第２治具９０上に位置決めされる。第２治具９０には、カソード側カーボンペーパ６０を吸引又は静電により吸着するための吸着手段（図示せず）が設けられている。

そこで、第１治具８２が第２治具９０に対応して位置決めされ、この第１治具８２に吸着されているＰＥＭユニット８６及びアノード側カーボンペーパ５８が、前記第２治具９０上に吸着されているカソード側カーボンペーパ６０上に積層される。このため、第２治具９０上には、カソード側カーボンペーパ６０、ＰＥＭユニット８６及びアノード側カーボンペーパ５８の順に積層される。

次いで、図１２に示すように、例えば、樹脂製シート等の略板状のスペーサ部材９４が第３治具９６（なお、第１治具８２を用いてもよい）上に配置される。スペーサ部材９４は、外周側に厚肉部９４ａを有するとともに、中央部側に薄肉部９４ｂを有する。

薄肉部９４ｂは、ガス拡散層２８ａの外径寸法よりも僅かに大きな寸法に設定される一方、図３に示すように、厚肉部９４ａは、幅寸法ｈにわたって額縁状に設けられる。厚肉部９４ａの厚さは、薄肉部９４ｂの厚さに電極触媒層２４ａ、２４ｂの厚さと下地層２６ａ、２６ｂとの厚さとを加算した厚さに設定される。

図１２に示すように、厚肉部９４ａには、位置決め用孔部９８ａ、９８ｂが形成される一方、第３治具９６には、前記孔部９８ａ、９８ｂに挿入される位置決めピン１００ａ、１００ｂが形成される。第３治具９６には、スペーサ部材９４を吸着するための吸着手段（図示せず）が設けられる。

第３治具９６に吸着保持されたスペーサ部材９４は、第２治具９０に対向して配置される。このスペーサ部材９４は、第３治具９６から第２治具９０のアノード側カーボンペーパ５８上に積層される（図１３参照）。従って、第２治具９０上には、カソード側カーボンペーパ６０、ＰＥＭユニット８６、アノード側カーボンペーパ５８及びスペーサ部材９４が積層された積層体１０２が得られる。

積層体１０２は、第２治具９０から取り外されるとともに、固定手段、例えば、複数のクリップ（図示せず）等により一体的に保持される。さらに、図１４に示すように、複数の積層体１０２（図１４では、２枚であるが、３枚以上でもよい）は、位置決め部５６ａ、５６ｂを基準にして互いに位置決めされる。積層体１０２間には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製等の非粘着性のシート部材１０４が介装される。

一方の積層体１０２には、シート部材１０４、緩衝材シート体１０６及びプレート１０８ａが積層されるとともに、他方の積層体１０２には、緩衝材シート体１０６及びプレート１０８ｂが積層される。これらは、位置決め部５６ａ、５６ｂを基準にして一体に位置決めされ、ホットプレス治具（図示せず）に装着されて１２０℃〜１５０℃でホットプレスされる。これにより、各ＰＥＭユニット８６の両面には、アノード側カーボンペーパ５８とカソード側カーボンペーパ６０とが一体化される（図１５参照）。

次に、アノード側カーボンペーパ５８の外周縁部５８ａは、分離部位５４に沿って切り離される。このため、図１６に示すように、所定の寸法を有するアノード側のガス拡散層２８ａが得られる。ガス拡散層２８ａの外周端面には、分離面５４ａが設けられる。この分離面５４ａは、例えば、ミシン目の切断による凹凸形状によって識別可能である。

次に、ＰＥＭユニット８６及びカソード側カーボンペーパ６０がトリミングライン５９に沿ってトリミングされる。このため、電解質膜・電極構造体１０が製造される（図１及び図３参照）。

この場合、第１の実施形態では、アノード側カーボンペーパ５８及びカソード側カーボンペーパ６０の外周縁部には、トリミングライン５９の外方に対応して位置決め部５６ａ、５６ｂが設けられている。そして、アノード側カーボンペーパ５８及びカソード側カーボンペーパ６０には、位置決め部５６ａ、５６ｂを基準にして、下地層２６ａ、２６ｂを塗布する工程、積層体１０２を得る工程及び前記積層体１０２をホットプレスする工程が行われている。

従って、各工程は、位置決め部５６ａ、５６ｂを基準にして容易且つ高精度に行われ、作業者による位置合わせのばらつきが良好に解消される。このため、アノード側カーボンペーパ５８及びカソード側カーボンペーパ６０を位置決めするために、専用の枠部材（位置決め部材）を用いる必要がなく、前記枠部材の取り扱い作業が不要になる。

これにより、第１の実施形態では、簡単な工程で、アノード側カーボンペーパ５８及びカソード側カーボンペーパ６０を高精度に位置決めすることができ、高品質な電解質膜・電極構造体１０を効率的且つ確実に製造することが可能になるという効果が得られる。

しかも、アノード側カーボンペーパ５８では、アノード側のピナクルダイ５２を介して、位置決め部５６ａ、５６ｂが形成されると同時に、ガス拡散層２８ａの外径寸法に沿って分離部位５４が形成されている。従って、製品形状である分離部位５４と組み立て基準である位置決め部５６ａ、５６ｂとは、単一の工程で同時に形成される。このため、製品形状と組み立て基準の位置とを高精度に加工することができ、製品品質の向上が容易且つ確実に図られる。

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１０のカソード側電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１０のアノード側電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１０では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード側電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

図１７は、本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１１０の要部断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

電解質膜・電極構造体１１０は、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、それぞれ同一の表面積を有するアノード側電極２０及びカソード側電極１１２が設けられる。アノード側電極２０及びカソード側電極１１２は、同一の端面位置に設定されたガス拡散層２８ａ、２８ｂ１を有するとともに、固体高分子電解質膜１８の外周縁部は、前記ガス拡散層２８ａ、２８ｂ１の端面から外方に突出している。

このように構成される電解質膜・電極構造体１１０を製造する際、ガス拡散層２８ａ側は、第１の実施形態と同様に製造されるとともに、カソード側電極１１２を構成するガス拡散層２８ｂ１は、前記ガス拡散層２８ａと同様に製造されている。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、アノード側カーボンペーパ５８には、分離部位として断続的に切れ込みを設けたミシン目状の分離部位５４を用いているが、これに限定されるものではない。

例えば、図１８に示すように、ガス拡散層２８ａを周回して連続するスリットからなる分離部位１２０が設けられるとともに、この分離部位１２０は、アノード側カーボンペーパ５８の厚さ方向に所定の深さを有している（図１９参照）。これにより、アノード側カーボンペーパ５８は、連続するスリットからなる分離部位１２０に沿って、外周縁部５８ａを容易且つ確実に切り離すことができるという利点がある。

１０、１１０…電解質膜・電極構造体 １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード側電極 ２２、１１２…カソード側電極
２４ａ、２４ｂ…電極触媒層 ２６ａ、２６ｂ…下地層
２８ａ、２８ｂ、２８ｂ１…ガス拡散層 ２９ａ、２９ｂ…接着層
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ５０…カーボンペーパ
５２…ピナクルダイ ５４、１２０…分離部位
５６ａ、５６ｂ…位置決め部
５８…アノード側カーボンペーパ ５９…トリミングライン
６０…カソード側カーボンペーパ
６４、７４…スクリーン印刷装置 ８６…ＰＥＭユニット
１０２…積層体

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層が設けられ、前記電極触媒層の外側に一対の多孔質拡散層が積層される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   前記多孔質拡散層の外周縁部に位置決め部を設ける工程と、
   前記位置決め部を基準にして、前記多孔質拡散層の表面に前記電極触媒層に接合される下地層を塗布する工程と、
   前記位置決め部を基準にして、一対の前記多孔質拡散層の間に前記固体高分子電解質膜を挟持して積層体を得る工程と、
   前記積層体をホットプレスすることにより、一対の前記多孔質拡散層と前記固体高分子電解質膜とを一体化させる工程と、
   一体化された前記積層体の外周トリミング部を、前記位置決め部を含んで除去する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、前記多孔質拡散層の表面に前記下地層が塗布された後、前記位置決め部を基準にして、少なくとも該下地層に接着層を塗布する工程を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の製造方法において、前記多孔質拡散層の外周縁部に前記位置決め部を設けると同時に、少なくとも一方の前記多孔質拡散層の外周縁部に、後に切り離される分離部位を設けることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
4. 請求項３記載の製造方法において、前記分離部位は、少なくとも一方の前記多孔質拡散層に断続的又は連続的に設けられた切り込み形状を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法において、前記位置決め部は、少なくとも２つの孔部を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。

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