JP5675477B2 - 燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法 - Google Patents

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、車載用燃料電池スタック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１６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、電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、ロール状に巻回された長尺状多孔質拡散層を繰り出して、前記長尺状多孔質拡散層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、前記長尺状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、ロール状に巻回された長尺状固体高分子電解質膜を繰り出して、前記位置決め部を設けるとともに、両面に前記電極触媒層を塗布する工程と、前記位置決め部を基準にして、一対の前記長尺状多孔質拡散層の間に前記長尺状固体高分子電解質膜を挟持して互いに位置決めすることにより、積層体を得る工程と、前記位置決め部を基準にして、前記積層体にホットプレス処理を施すことにより、一対の前記長尺状多孔質拡散層と前記長尺状固体高分子電解質膜とを連続的に一体化させる工程と、一体化された前記積層体を、前記燃料電池用電解質膜・電極構造体の外形寸法を構成するトリミングラインに倣って切断する工程と、切断された少なくとも一方の前記長尺状多孔質拡散層の外周縁部を、予め設けられた分離部位に沿って切り離すとともに、切断された前記積層体の前記トリミングラインの外側の部分を、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、この製造方法では、分離部位は、少なくとも一方の長尺状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。

さらに、この製造方法では、多孔質拡散層の外周縁部となる部位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となる部位に、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、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。

また、この製造方法では、位置決め部は、長尺状多孔質拡散層及び長尺状固体高分子電解質膜の送り方向に交差する幅方向の両端縁部に、それぞれ所定の間隔ずつ離間して設けられるスプロケット係合用孔部を有することが好ましい。

本発明によれば、ロール状の長尺状多孔質拡散層及びロール状の長尺状固体高分子電解質膜が用いられるとともに、前記長尺状多孔質拡散層及び前記長尺状固体高分子電解質膜には、それぞれ位置決め部が設けられている。このため、位置決め部を基準にして、長尺状多孔質拡散層及びロール状の長尺状固体高分子電解質膜に対し種々の工程が連続的に且つ高精度に遂行可能になる。

これにより、簡単な工程で、長尺状多孔質拡散層及び長尺状固体高分子電解質膜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。 アノード側長尺状カーボンペーパの製造ラインの説明図である。 カソード側長尺状カーボンペーパの製造ラインの説明図である。 前記アノード側長尺状カーボンペーパの説明図である。 前記カソード側長尺状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。 長尺状固体高分子電解質膜の製造ラインの説明図である。 長尺状積層体の製造ラインの説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体の製造方法において、前記アノード側長尺状カーボンペーパの製造ラインの説明図である。 前記カソード側長尺状カーボンペーパの製造ラインの説明図である。 前記長尺状固体高分子電解質膜の製造ラインの説明図である。 前記長尺状積層体の製造ラインの説明図である。 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２及び図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、図３に示すように、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含み、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７０が切り離された分離面６６ａ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及び図５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５０ａ(roll)、５０ｂ(roll)が用意される。図４に示すように、アノード側のロール状カーボンペーパ５０ａ(roll)からアノード側長尺状カーボンペーパ（長尺状多孔質拡散層）５０ａが繰り出されるとともに、前記アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａの搬送方向（矢印Ｔ方向）に沿って、後述するようにアノード側電極２０のガス拡散層２８ａの外径寸法に沿ってミシン目である分離部位６６及び前記ガス拡散層２８ａの外部領域に対応して位置決め部６８ａ、６８ｂを設けるミシン目及び加工工程５２、下地層印刷工程５４及び接着層印刷工程５６が、順次、設けられる。

図５に示すように、カソード側のロール状カーボンペーパ５０ｂ(roll)からカソード側長尺状カーボンペーパ（長尺状多孔質拡散層）５０ｂが繰り出されるとともに、前記カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂの搬送方向（矢印Ｔ方向）に沿って、後述するようにカソード側電極２２のカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂに位置決め部６８ａ、６８ｂを設ける加工工程５８、下地層印刷工程６０及び接着層印刷工程６２が、順次、設けられる。

ミシン目及び加工工程５２では、加工型、例えば、ピナクルダイ６４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６４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６４は、図示しないが、一対の両刃とミシン刃とを備え、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａにアノード側の加工処理が施される。

このため、図６に示すように、アノード側長尺状カーボンペーパ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６６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６８ａ、６８ｂが一対の両刃により形成される。

分離部位６６は、例えば、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ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７０を分離部位６６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、図５に示すように、カソード側の加工工程５８では、加工型、例えば、ピナクルダイ７２による組み立て基準加工の同時加工が行われる。カソード側のピナクルダイ７２は、一対の両刃を備え、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂにカソード側の加工処理が施される。従って、図７に示すように、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂには、製品形状を構成するトリミングライン７４の外方に対応して複数、例えば、２つの位置決め部６８ａ、６８ｂが一対の両刃により形成される。

アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂ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、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａは、図８に示すように、下地層印刷工程５４に移送される。アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａは、静電吸着テーブル７８上に保持されるとともに、前記アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａに設けられている位置決め部６８ａ、６８ｂがカメラ（図示せず）により撮影される。このため、スクリーン印刷装置８０は、位置決め部６８ａ、６８ｂを認識する。

スクリーン印刷装置８０は、認識した位置決め部６８ａ、６８ｂを基準にして、静電吸着テーブル７８とスクリーン８２との相対位置を調整する。そして、ペースト８４がスキージ８６を介して印刷処理される。これにより、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ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長尺状カーボンペーパ５０ａは、図９に示すように、接着層印刷工程５６に移行される。アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａは、静電吸着テーブル８８上に保持されるとともに、前記アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａに設けられている位置決め部６８ａ、６８ｂがカメラ（図示せず）により撮影される。このため、スクリーン印刷装置９０は、位置決め部６８ａ、６８ｂを認識する。

スクリーン印刷装置９０は、認識した位置決め部６８ａ、６８ｂを基準にして、静電吸着テーブル８８とスクリーン９２との相対位置を調整する。そして、ペースト９４がスキージ９６を介して印刷処理されることにより、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａには、下地層２６ａの外周縁部と前記アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａの表面とにわたって接着層２９ａが塗布される。

また、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂは、上記のアノード側長尺状カーボンペーパ５０ａと同様に、下地層印刷工程６０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、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂは、接着層印刷工程６２により接着層２９ｂが塗布される。

一方、図１０に示すように、ロール状固体高分子電解質膜１００から長尺状固体高分子電解質膜１００ａが繰り出されるとともに、前記長尺状固体高分子電解質膜１００ａの搬送方向（矢印Ｔ方向）に沿って、アノード側マスキング工程１０２、アノード電極塗布及び加工工程１０４、カソード側マスキング工程１０６及びカソード電極塗布工程１０８が、順次、設けられる。

アノード側マスキング工程１０２では、アノード側電極２０の電極触媒層２４ａに対応する窓部１１０ａが設けられたマスキング部材１１０により長尺状固体高分子電解質膜１００ａが被覆される。アノード電極塗布及び加工工程１０４では、マスキング部材１１０を介して長尺状固体高分子電解質膜１００ａに電極触媒層２４ａが塗布されるとともに、位置決め部６８ａ、６８ｂが形成される。

次いで、カソード側マスキング工程１０６では、カソード側電極２２の電極触媒層２４ｂに対応する窓部１１２ａが設けられたマスキング部材１１２により長尺状固体高分子電解質膜１００ａが被覆される。そして、カソード電極塗布工程１０８では、位置決め部６８ａ、６８ｂにより位置決めした状態で、マスキング部材１１２を介して長尺状固体高分子電解質膜１００ａに電極触媒層２４ｂが塗布される。

図１１に示すように、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂは、長尺状固体高分子電解質膜１００ａを挟んだ状態で、位置決め工程１１４、ホットプレス工程１１６、トリミング工程１１８及び分離工程１２０に、順次、移送される。

位置決め工程１１４では、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ、長尺状固体高分子電解質膜１００ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂが、それぞれに設けられた位置決め部６８ａ、６８ｂをカメラ（図示せず）で撮像することにより、互いに位置決めされる。なお、位置決め工程１１４では、必要に応じて段差調整シート１２１が用いられる。この段差調整シート１２１は、後述するホットプレス工程１１６において、複数のローラ１２４の表面から距離のばらつきを吸収する機能を有する。

位置決めされたアノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ、長尺状固体高分子電解質膜１００ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂ（及び段差調整シート１２１）は、ホットプレス工程１１６に移送される。

ホットプレス工程１１６には、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂに摺接して矢印Ｔ方向に連続搬送するための搬送部１２２と、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａに圧接される複数のローラ１２４とが配設される。ローラ１２４は、表面にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が設けられており、高温雰囲気中に配置され、又は前記ローラ１２４自体が加熱される。アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ、長尺状固体高分子電解質膜１００ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂは、例えば、１２０℃〜１５０℃の温度でホットプレスされる。

これにより、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ、長尺状固体高分子電解質膜１００ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂが一体化された長尺状積層体１２６が得られる。

長尺状積層体１２６は、トリミング工程１１８に移送され、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂのトリミングライン７４に沿ってトリミングされる。さらに、分離工程１２０に移送され、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａの外周縁部７０は、分離部位６６に沿って切り離される。この分離工程１２０において、廃材が分離されることにより、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、ロール状カーボンペーパ５０ａ（roll）から繰り出されたアノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ及びロール状カーボンペーパ５０ｂ（roll）から繰り出されたカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂには、トリミングライン７４の外方に対応して位置決め部６８ａ、６８ｂが設けられている。

そして、図４に示すように、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａには、位置決め部６８ａ、６８ｂを基準にして、下地層印刷工程５４及び接着層印刷工程５６が、連続して行われている。同様に、図５に示すように、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂには、位置決め部６８ａ、６８ｂを基準にして、下地層印刷工程６０及び接着層印刷工程６２が、連続して行われている。

さらに、図１１に示すように、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ、長尺状固体高分子電解質膜１００ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂには、位置決め部６８ａ、６８ｂを基準にして、位置決め工程１１４、ホットプレス工程１１６及びトリミング工程１１８が、連続して行われている。このため、位置決め部６８ａ、６８ｂを基準にして、種々の工程が連続的に且つ高精度に行われる。

これにより、第１の実施形態では、簡単な工程で、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂ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。

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。

さらに、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。

次に、本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、以下に説明する。なお、第１の実施形態に係る製造方法と同一の工程の説明は省略する。

図１２に示すように、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａの製造ラインには、ロール状カーボンペーパ５０ａ（roll）の搬送方向（矢印Ｔ方向）に沿って、ミシン目及び加工工程５２ａ、下地層印刷工程５４ａ及び接着層印刷工程５６ａが、順次、設けられる。

ミシン目及び加工工程５２ａでは、位置決め部として、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａの送り方向に交差する幅方向の両端縁部に、それぞれ所定の間隔ずつ離間してスプロケット係合用孔部１３０ａ、１３０ｂを形成する。

アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａの製造ラインには、孔部１３０ａ、１３０ｂに係合して回転するスプロケット１３２ａ、１３２ｂが、所定の部位に配設される。スプロケット１３２ａ、１３２ｂは、回転駆動源（図示せず）に連結されており、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａを矢印Ｔ方向に正確に搬送することができる。

図１３に示すように、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂの製造ラインには、ロール状カーボンペーパ５０ｂ（roll）の搬送方向（矢印Ｔ方向）に沿って、加工工程５８ａ、下地層印刷工程６０ａ及び接着層印刷工程６２ａが、順次、設けられる。加工工程５８ａでは、位置決め部として、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂの幅方向の両端縁部に、それぞれ所定の間隔ずつ離間してスプロケット係合用孔部１３０ａ、１３０ｂを形成する。カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂ（roll）の製造ラインには、孔部１３０ａ、１３０ｂに係合して回転するスプロケット１３２ａ、１３２ｂが設けられる。

図１４に示すように、長尺状固体高分子電解質膜１００ａの製造ラインでは、前記長尺状固体高分子電解質膜１００ａの搬送方向（矢印Ｔ方向）に沿って、アノード側マスキング工程１０２ａ、アノード電極塗布及び加工工程１０４ａ、カソード側マスキング工程１０６ａ及びカソード電極塗布工程１０８ａが、順次、設けられる。

アノード電極塗布及び加工工程１０４ａでは、位置決め部として、ロール状固体高分子電解質膜１００の幅方向の両端縁部に、それぞれ所定の間隔ずつ離間してスプロケット係合用孔部１３０ａ、１３０ｂを形成する。長尺状固体高分子電解質膜１００ａの製造ラインには、孔部１３０ａ、１３０ｂに係合して回転するスプロケット１３２ａ、１３２ｂが設けられる。

図１５に示すように、長尺状積層体１２６の製造ラインでは、前記長尺状積層体１２６の搬送方向（矢印Ｔ方向）に沿って、位置決め工程１１４ａ、ホットプレス工程１１６ａ、トリミング工程１１８ａ及び分離工程１２０ａが、順次、設けられる。

位置決め工程１１４ａでは、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ、長尺状固体高分子電解質膜１００ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂが、それぞれに設けられた孔部１３０ａ、１３０ｂに係合して回転するスプロケット１３２ａ、１３２ｂを介して位置決めされており、カメラを不要にすることができる。長尺状積層体１２６の製造ラインには、孔部１３０ａ、１３０ｂに係合して回転するスプロケット１３２ａ、１３２ｂが設けられる。

このように、第２の実施形態では、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ、カソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂ、長尺状固体高分子電解質膜１００ａ及び長尺状積層体１２６の製造ラインにおいて、位置決め部として、それぞれ所定の間隔ずつ離間して設けられる孔部１３０ａ、１３０ｂを用い、前記孔部１３０ａ、１３０ｂに係合するスプロケット１３２ａ、１３２ｂの回転作用下に、位置決めが行われている。

従って、第２の実施形態では、簡単な工程で、アノード側長尺状カーボンペーパ５０ａ及びカソード側長尺状カーボンペーパ５０ｂ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等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…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…カソード側電極
２４ａ、２４ｂ…電極触媒層 ２６ａ、２６ｂ…下地層
２８ａ、２８ｂ…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 ５０ａ、５０ｂ…長尺状カーボンペーパ
５２、５２ａ…ミシン目及び加工工程
５４、５４ａ、６０、６０ａ…下地層印刷工程
５６、５６ａ、６２、６２ａ…接着層印刷工程
５８、５８ａ…加工工程 ６６…分離部位
６８ａ、６８ｂ…位置決め部 １００ａ…長尺状固体高分子電解質膜
１０２、１０２ａ…アノード側マスキング工程
１０４、１０４ａ…アノード電極塗布及び加工工程
１０６、１０６ａ…カソード側マスキング工程
１０８、１０８ａ…カソード電極塗布工程
１１４、１１４ａ…位置決め工程 １１６、１１６ａ…ホットプレス工程
１１８、１１８ａ…トリミング工程 １２０、１２０ａ…分離工程
１２６…長尺状積層体 １３０ａ、１３０ｂ…孔部
１３２ａ、１３２ｂ…スプロケット

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、
   ロール状に巻回された長尺状多孔質拡散層を繰り出して、前記長尺状多孔質拡散層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、前記長尺状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、
   ロール状に巻回された長尺状固体高分子電解質膜を繰り出して、前記位置決め部を設けるとともに、両面に前記電極触媒層を塗布する工程と、
   前記位置決め部を基準にして、一対の前記長尺状多孔質拡散層の間に前記長尺状固体高分子電解質膜を挟持して互いに位置決めすることにより、積層体を得る工程と、
   前記位置決め部を基準にして、前記積層体にホットプレス処理を施すことにより、一対の前記長尺状多孔質拡散層と前記長尺状固体高分子電解質膜とを連続的に一体化させる工程と、
   一体化された前記積層体を、前記燃料電池用電解質膜・電極構造体の外形寸法を構成するトリミングラインに倣って切断する工程と、
   切断された少なくとも一方の前記長尺状多孔質拡散層の外周縁部を、予め設けられた分離部位に沿って切り離すとともに、切断された前記積層体の前記トリミングラインの外側の部分を、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、前記分離部位は、少なくとも一方の前記長尺状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。
3. 請求項１又は２記載の製造方法において、前記長尺状多孔質拡散層の外周縁部となる部位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長尺状多孔質拡散層の外周縁部となる部位に、後に切り離される前記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１〜３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。
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、前記長尺状多孔質拡散層及び前記長尺状固体高分子電解質膜の送り方向に交差する幅方向の両端縁部に、それぞれ所定の間隔ずつ離間して設けられるスプロケット係合用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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