JP5865346B2 - 燃料電池および燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。より具体的には、本発明はセルが平面配列された燃料電池に関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラ、電子辞書あるいは電子書籍）などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の単セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている。

携帯機器のさらなる小型化および高出力密度化が進むにつれて、携帯機器用の燃料電池のセルを高集積化する必要性が高まっている。セルの高集積化のために、セル数の増加やセルの構造および、インターコネクタ、セルとセルとの間隔などのセル以外の構造の微細化が必要となる。セルの高集積化にともない、燃料電池を製造する際にセル毎に作製することが困難となっている。このため、現状では、複数区画の電解質膜にまたがるようにアノードおよびカソードを形成したのち、レーザ加工により所定領域のアノードおよびカソードを除去することにより、セルを区画化する技術が適用されている。

国際公開第２００９／１０５８９６号パンフレット 特開２００８−２５８１４２号公報

レーザ加工を用いたセル作製技術では、作業に多大な時間を要するため、燃料電池の製造時間の増加、ひいては燃料電池の製造コストの増大を招くという課題がある。また、レーザ加工時の位置合わせが困難になるという課題がある。具体的には、セルとセルとの間隔が短い（たとえば、０．３ｍｍ）ため、レーザ照射位置の調整が困難になる。また、レーザ照射領域に微小な凹凸がある場合には、レーザの焦点がずれることにより加工精度が低下するおそれがある。この他、レーザ照射によりアノードおよびカソードを選択的に除去する際に生じる灰がコンタミネーションとなり、電解質膜や触媒層に悪影響を及ぼすおそれがあった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ加工を用いることなく、集積化されたセルを作製する技術の提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と電解質膜の一方の面に設けられたアノードと電解質膜の他方の面に設けられたカソードとをそれぞれ含み、平面配列された複数の膜電極接合体と、隣接する膜電極接合体の間において、前記電解質膜の両主面にそれぞれ前記アノード、前記カソードが設けられている領域に位置する前記アノードまたは前記カソードの少なくとも一方の電極の表面に対して突出し、平坦な頂部面を持つ突出部と、突出部の一方の膜電極接合体側の側面において当該膜電極接合体の電極と接触するように、隣接する膜電極接合体の間に形成されているインターコネクタと、頂部面の一部をなすとともに、突出部において、インターコネクタと突出部の他方の膜電極接合体側の電極とを電気的に絶縁する第１の絶縁体と、を備えることを特徴とする。ここでいう「平坦」とは、平面上に目視で確認可能な程度の微細な凹凸が形成されている場合を含む。

上記態様の燃料電池において、突出部の頂部に形成された面取り部分で、インターコネクタと電極が接触していてもよい。この場合に、突出部の頂部面が一方の膜電極接合体から延在する電極の端面、インターコネクタの端面、第１の絶縁体の端面および他方の膜電極接合体から延在する電極の端面がこの順で積層した積層面で形成されていてもよい。また、頂部面の一部をなすとともに、突出部において、インターコネクタと突出部の一方の膜電極接合体側の電極とを電気的に絶縁する第２の絶縁体を備え、インターコネクタには第２の絶縁対に被覆されていない段差が形成されており、膜電極接合体の隣接方向に垂直な方向に関して、段差の段差側面と第２の絶縁体の端面とが面一となっていることとしてもよい。

本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと電解質膜の他方の面に設けられたカソードとをそれぞれ含み、平面配列された複数の膜電極接合体と、隣接する前記膜電極接合体の間において、前記電解質膜の両主面にそれぞれ前記アノード、前記カソードが設けられている領域に位置する前記アノードまたは前記カソードの少なくとも一方の電極の表面に対して突出し、平坦な頂部面を持つ突出部と、突出部の一方の膜電極接合体側の側面において当該膜電極接合体の電極と接触するように、隣接する前記膜電極接合体の間に形成されているインターコネクタと、突出部において、インターコネクタと突出部の他方の膜電極接合体側の電極とを電気的に絶縁する絶縁体と、頂部面の一部をなし、インターコネクタと前記絶縁体を被覆する絶縁性の被覆層と、を備えることを特徴とする。

上記態様の燃料電池において、突出部の頂部面が一方の膜電極接合体から延在する電極の端面、被覆層および他方の膜電極接合体から延在する電極の端面がこの順で積層した積層面で形成されていてもよい。

本発明のさらに他の態様は、燃料電池の製造方法である。当該燃料電池の製造方法は、インターコネクタの両側にそれぞれ絶縁体が積層され、積層面の角部において、インターコネクタが積層方向に露出した複合材を用意する工程と、隣接する膜電極接合体の電解質膜の間に、積層方向が電解質膜の面方向と交差し、かつ、電解質膜の電極面に対して突出する突出部が形成されるように複合材を設置する工程と、突出部およびこれを挟む電解質膜の上に電極を形成する工程と、突出部の頂部を被覆する電極を除去する工程と、を備えることを特徴とする。

上記態様の燃料電池の製造方法によれば、セルの区画化にレーザ加工を用いることなく、セルが集積化された燃料電池用の複合膜を簡便に作製することがでる。セルの区画化にレーザ加工を用いていないため、レーザ照射によって灰が生成することがない。このため、電解質膜や触媒層を清浄に保つことができる。

上記態様の燃料電池の製造方法において、複合材を用意する工程において、インターコネクタの両側にそれぞれ絶縁体を積層した後、積層面の角部を積層面と交差する方向に面取りしてもよい。また、複合材は突出部の頂部を被覆する被覆層を備え、電極を除去する工程において、突出部の頂部を被覆する電極および少なくとも一部の被覆層が除去されてもよい。

本発明によれば、レーザ加工を用いることなく集積化されたセルを作製することができる。

実施の形態１に係る燃料電池の構成を示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 実施の形態１のアノード側突出部およびカソード側突出部の構造を示す要部拡大図である。 実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態２に係る燃料電池の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態２に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態３に係る燃料電池の構成を示す断面図である。 実施の形態３に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態３に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態４に係る燃料電池の構成を示す断面図である。 実施の形態４に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態４に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態５に係る燃料電池の構成を示す断面図である。 実施の形態５のアノード側突出部およびカソード側突出部の構造を示す要部拡大図である。 実施の形態５に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態５に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池の構成を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。

図１および図２に示すように、燃料電池１０は、複合膜１００、カソード用ハウジング５０およびアノード用ハウジング５２を備える。

複合膜１００は、平面配列された複数の膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は、電解質膜２２と、電解質膜２２の一方の面に設けられたカソード２４およびアノード２６を有する。複合膜１００の縁部は電解質膜２２で形成されており、複数の膜電極接合体２０は、当該縁部の内側の領域に形成されている。

電解質膜２２は、湿潤状態または加湿状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、カソード２４とアノード２６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜２２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）イオノマー溶液などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜２２の厚さは、たとえば約１０〜約２００μｍである。

カソード２４は、電解質膜２２の一方の面にそれぞれ離間した状態で形成されている。カソード２４には、酸化剤として空気が供給されてもよい。また、アノード２６は、電解質膜２２の他方の面にそれぞれ離間した状態で形成されている。アノード２６には燃料ガスとして水素が供給されてもよい。本実施の形態では、水素が燃料ガスとして用いられているが、たとえば、メタノール、蟻酸、ブタン、または、他の水素担体などの他の適当な燃料も使用されうる。一対のカソード２４とアノード２６との間に電解質膜が２２が狭持されることにより単セルが構成され、各単セルは燃料（たとえば、水素）と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。

カソード２４およびアノード２６は、それぞれイオン交換体ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。カソード２４およびアノード２６に含まれるイオン交換体は、触媒粒子と電解質膜２２との間の密着性を向上させるために用いられてよく、両者間においてプロトンを伝達する役割を持ってもよい。このイオン交換体は、電解質膜２２と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。なお、カソード２４およびアノード２６の厚さは、それぞれ、たとえば約１０〜約４０μｍであってもよい。また、カソード２４およびアノード２６は燃料ガスや空気が拡散可能な導電層を含んでももよい。その場合、カソード２４およびアノード２６の厚さは、それぞれ、たとえば約５０〜約５００μｍであってもよい。

このように、本実施の形態の燃料電池１０では、電解質膜２２を挟んでカソード２４にアノード２６がそれぞれ対となり、複数の膜電極接合体（単セル）２０が平面状に形成されている。

インターコネクタ（導電性部材）３０は、隣接する膜電極接合体２０の間に形成されている。インターコネクタ３０の導電性を担う材料としては、カーボンファイバー、グラファイトシート、カーボンペーパー、カーボン粉末に樹脂を含浸することによりガスを透過しないカーボン系の材料、白金、金、ステンレス、チタン、ニッケルなどの金属系の材料が挙げられる。

インターコネクタ３０は、アノード２６の表面に対して突出したアノード側突出部２８の一部を構成している。アノード側突出部２８において、インターコネクタ３０の一部が、アノード側突出部２８の両側の膜電極接合体２０のうち、一方の膜電極接合体２０（図２では、インターコネクタ３０に対して右側に位置する膜電極接合体２０）の方へ露出する領域Ｒ１を有する（図３参照）。この領域において、インターコネクタ３０は、上記一方の膜電極接合体２０から延在するアノード２６と接触している。また、アノード側突出部２８において、インターコネクタ３０は、アノード側突出部２８の両側の膜電極接合体２０のうち、他方の膜電極接合体２０（図２では、インターコネクタ３０に対して左側に位置する膜電極接合体２０）から延在するアノード２６と第１の絶縁体１１０によって電気的に絶縁されている。

アノード側突出部２８の頂部面Ｍは平坦である。本実施の形態では、アノード側突出部２８の頂部面Ｍは、一方の膜電極接合体２０から延在するアノード２６の端面、インターコネクタ３０の端面、第１の絶縁体１１０の端面および他方の膜電極接合体２０から延在するアノード２６の端面がこの順で積層した積層面となっている。

また、インターコネクタ３０は、カソード２４の表面に対して突出したアノード側突出部２８の一部を構成している。カソード側突出部３８において、インターコネクタ３０の一部が、カソード側突出部３８の両側の膜電極接合体２０のうち、他方の膜電極接合体２０の方へ露出する領域Ｒ２を有する（図３参照）。この領域において、インターコネクタ３０は、上記他方の膜電極接合体２０から延在するカソード２４と接触している。また、カソード側突出部３８において、インターコネクタ３０は、カソード側突出部３８の両側の膜電極接合体２０のうち、一方の膜電極接合体２０から延在するカソード２４と第２の絶縁体１１２によって電気的に絶縁されている。

上述した第１の絶縁体１１０および第２の絶縁体１１２は、たとえばグラスファイバーにエポキシ樹脂を含浸させ、ホットプレスすることにより成型することで得ることできる。

カソード側突出部３８の頂部面Ｎは平坦である。本実施の形態では、カソード側突出部３８の頂部面Ｎは、他方の膜電極接合体２０から延在するカソード２４の端面、インターコネクタ３０の端面、第２の絶縁体１１２の端面および一方の膜電極接合体２０から延在するカソード２４の端面がこの順で積層した積層面となっている。

隣接する膜電極接合体２０の間に設けられているインターコネクタ３０により、隣接する膜電極接合体２０のうち一方の膜電極接合体２０のアノード２６と、隣接する膜電極接合体２０のうち他方の膜電極接合体２０のカソード２４とが電気的に接続されている。これにより、隣接する膜電極接合体（単セル）２０同士が直列接続され、ひいては平面配列された複数の膜電極接合体２０が電気的に直列接続されている。他の実施の形態では、アノード２６および／またはカソード２４は、電気的に並列接続された複数の膜電極接合体、または、直列接続と並列接続が組み合わせされた複数の膜電極接合体をもたらすように適合されてよい。

図２に戻り、カソード用ハウジング５０は、燃料電池１０の筐体の一部を構成してもよく、カソード２４と隣接して設けられてよい。カソード用ハウジング５０には、外部から空気を取り込むための空気取入口５１が設けられてもよい。カソード用ハウジング５０とカソード２４との間に、空気が流通する空気室６０が形成されていてもよい。空気室６０内の空気の圧力は大気圧と同等である。

一方、アノード用ハウジング５２は、燃料電池１０の筐体の一部を構成してもよく、アノード２６と隣接して設けられてよい。アノード用ハウジング５２とアノード２６との間に、燃料貯蔵用の燃料ガス室６２が形成されていてもよい。なお、燃料カートリッジなどから燃料ガスを適宜補充可能とするように、アノード用ハウジング５２に燃料供給口（図示せず）を設置してもよい。燃料ガス室６２内の燃料ガスの圧力は、大気圧より高く維持されていてもよい。

カソード用ハウジング５０およびアノード用ハウジング５２に用いられる材料としては、フェノール樹脂、ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、尿素樹脂、フッ素樹脂等の一般的なプラスティック樹脂が挙げられる。

カソード用ハウジング５０とアノード用ハウジング５２とは、複合膜１００の周縁部に設けられたガスケット７０を介して、ボルト、ナットなどの締結部材（図示せず）を用いて締結されていてもよい。これにより、ガスケット７０に圧力が加えられ、ガスケット７０によるシール性が高められる。

（実施の形態１に係る燃料電池の製造方法）
実施の形態１に係る燃料電池の製造方法のうち、特に複合膜１００の作製方法について、図４乃至図５を参照して説明する。

まず、図４（Ａ）に示すように、インターコネクタ３０の両側にそれぞれ第１の絶縁体１１０および第２の絶縁体１１２が積層された積層体２００を用意する。第１の絶縁体１１０および第２の絶縁体１１２の厚さは、それぞれ、たとえば０．１ｍｍである。続いて、所定の間隔で設定された切断線Ｃに沿って積層体２００を切断し、棒状の複合材２１０に個片化する（図４（Ｂ）参照）。切断線Ｃの間隔は、上述した電解質膜２２、カソード２４、アノード２６の各層厚を合わせた厚さより大きければよく、たとえば、約５０〜約１４００μｍである。

次に、図４（Ｃ）に示すように、第２の絶縁体１１２の一方の角部を含む領域を複合材２１０の長手方向（積層面と交差する方向）に沿って面取りし、インターコネクタ３０を露出させる。同様に、複合材２１０の長手方向と交差する断面において、第２の絶縁体１１２の一方の角部と対角の位置にある第１の絶縁体１１０の他方の角部を含む領域を複合材２１０の長手方向に沿って面取りし、インターコネクタ３０を露出させる。

次に、図５（Ａ）に示すように、複合材２１０の積層方向がガラス板などの台座３００の面方向に向くように、複合材２１０を台座３００の上に載置する。なお、台座３００には、複合材２１０の一部をはめ込むことができる溝３０２が所定の間隔で予め形成されている。これにより、複合材を台座に載置する際の位置合わせの手間を省くことができる。

次に、図５（Ｂ）に示すように、一対の複合材２１０の間にナフィオンなどのイオン交換体を含む電解質溶液３１０を塗布する。

次に、図５（Ｃ）に示すように、電解質溶液を乾燥させて電解質膜２２を形成する。溶媒の除去に伴い、電解質膜２２の厚さは、図５（Ｂ）に示す電解質溶液３１０の厚さより薄くなる。電解質膜２２の一方の面（以下、アノード面という）に対して突出した複合材２１０の一部が上述したアノード側突出部２８の一部となる。電解質膜２２の他方の面（以下、カソード面という）に対して突出した複合材２１０の一部がカソード側突出部３８の一部となる。

次に、図５（Ｄ）に示すように、電解質膜２２のアノード面およびアノード側突出部２８を覆うようにアノード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してアノード２６を形成する。このとき、アノード側突出部２８の面取り部に露出したインターコネクタ３０とアノード２６が接続する。また、電解質膜２２のカソード面およびカソード側突出部３８を覆うようにカソード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してカソード２４を形成する。このとき、カソード側突出部３８の面取り部に露出したインターコネクタ３０とカソード２４が接続する。

次に、図５（Ｅ）に示すように、アノード側突出部２８の頂部に形成されたアノード２６をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、アノード側突出部２８の頂部に平坦な露出面を形成する。この工程では、複数のアノード側突出部２８の頂部に形成されたアノード２６を一度に除去することで、プロセスの簡便化を図ることができる。アノード２６の除去により形成された露出面において、面取りされた側と反対側の電解質膜２２の上から延在するアノード２６の端面（切削面）とインターコネクタ３０の端面（切削面）との間に第１の絶縁体１１０の端面（切削面）が介在する。これにより、インターコネクタ３０と面取りされた側と反対側の電解質膜２２の上から延在するアノード２６とが電気的に絶縁されている。

同様に、カソード側突出部３８の頂部に形成されたカソード２４をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、カソード側突出部３８の頂部に平坦な露出面を形成する。この露出面において、面取りされた側と反対側の電解質膜２２の上から延在するカソード２４の端面（切削面）とインターコネクタ３０の端面（切削面）との間に第２の絶縁体１１２の端面（切削面）が介在する。これにより、インターコネクタ３０と面取りされた側と反対側の電解質膜２２の上から延在するカソード２４とが電気的に絶縁されている。

以上の工程により、実施の形態１の燃料電池に用いられる複合膜１００が作製される。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２に係る燃料電池の構成を示す断面図である。本実施の形態の燃料電池１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であり、実施の形態１と同様な構成については説明を適宜省略する。

本実施の形態では、アノード側突出部２８のうち、一部のアノード側突出部２８’の平坦な頂部面は、面取りされた側の電解質膜２２の上から延在するアノード２６の端面と、面取りされた側とは反対側の電解質膜２２の上から延在するアノード２６の端面との間に被覆層４００が介在した積層構造となっている。なお、アノード側突出部の全てが上述したアノード側突出部２８’の構造で形成されていてもよい。

また、本実施の形態では、カソード側突出部３８のうち、一部のカソード側突出部３８’の平坦な頂部面は、面取りされた側の電解質膜２２の上から延在するカソード２４の端面と、面取りされた側とは反対側の電解質膜２２の上から延在するカソード２４の端面との間に被覆層４１０が介在した積層構造となっている。なお、カソード側突出部の全てが上述したカソード側突出部３８’の構造で形成されていてもよい。

被覆層４００および被覆層４１０は、絶縁性の材料で形成されている。被覆層４００および被覆層４１０は、インターコネクタ３０より柔らかく、へらなどで切除しやすいことが好ましい。この他、被覆層４００および被覆層４１０は、インターコネクタ３０との密着性が良好であり、電解質膜２２や触媒層に悪影響を及ぼさないことが好ましい。被覆層４００および被覆層４１０に用いられる材料として、たとえば、ナフィオンが挙げられる。

（実施の形態２に係る燃料電池の製造方法）
実施の形態２に係る燃料電池の製造方法のうち、特に複合膜１００の作製方法について、図７乃至図８を参照して説明する。

図７（Ａ）に示すように、図４（Ｂ）に示した複合材２１０の両積層面にそれぞれ被覆層４００、４１０を形成する。

次に、図７（Ｂ）に示すように、第２の絶縁体１１２の一方の角部および当該角部近傍の被覆層４００の端部を含む領域を複合材２１０の長手方向（積層面と交差する方向）に沿って面取りし、インターコネクタ３０を露出させる。同様に、複合材２１０の長手方向と交差する断面において、第２の絶縁体１１２の一方の角部と対角の位置にある第１の絶縁体１１０の他方の角部および当該角部近傍の被覆層４１０の端部を含む領域を複合材２１０の長手方向に沿って面取りし、インターコネクタ３０を露出させる。

次に、図８（Ａ）に示すように、複合材２１０の積層方向がガラス板などの台座３００の面方向に向くように、複合材２１０の一部を溝３０２に嵌め込んで台座３００の上に載置する。

次に、図８（Ｂ）に示すように、一対の複合材２１０の間にナフィオンなどのイオン交換体を含む電解質溶液３１０を塗布する。

次に、図８（Ｃ）に示すように、電解質溶液を乾燥させて電解質膜２２を形成する。溶媒の除去に伴い、電解質膜２２の厚さは、図８（Ｂ）に示す電解質溶液３１０の厚さより薄くなる。電解質膜２２のアノード面に対して突出した複合材２１０の一部がアノード側突出部２８の一部となる。電解質膜２２のカソード面に対して突出した複合材２１０の一部がカソード側突出部３８の一部となる。

次に、図８（Ｄ）に示すように、電解質膜２２のアノード面、アノード側突出部２８および被覆層４００を覆うようにアノード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してアノード２６を形成する。このとき、アノード側突出部２８の面取り部に露出したインターコネクタ３０とアノード２６が接続する。また、電解質膜２２のカソード面、被覆層４１０およびカソード側突出部３８を覆うようにカソード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してカソード２４を形成する。このとき、カソード側突出部３８の面取り部に露出したインターコネクタ３０とカソード２４が接続する。

次に、図８（Ｅ）に示すように、アノード側突出部２８の頂部に形成されたアノード２６および被覆層４００をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、アノード側突出部２８の頂部に平坦な露出面を形成する。被覆層４００が全て除去されると、実施の形態１と同様なアノード側突出部２８が形成される。被覆層４００の一部が除去されずに残ると、上述したアノード側突出部２８’が形成される。

同様に、カソード側突出部３８の頂部に形成されたカソード２４および被覆層４１０をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、カソード側突出部３８の頂部に平坦な露出面を形成する。被覆層４１０が全て除去されると、実施の形態１と同様なカソード側突出部３８が形成される。被覆層４１０の一部が除去されずに残ると、上述したカソード側突出部３８’が形成される。

以上の工程により、実施の形態２の燃料電池に用いられる複合膜１００が作製される。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３に係る燃料電池の構成を示す断面図である。本実施の形態の燃料電池１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であり、実施の形態１と同様な構成については説明を適宜省略する。

本実施の形態では、アノード側突出部２８の平坦な頂部面は、インターコネクタ３０の一方の側に位置する電解質膜２２の上から延在するアノード２６の端面と、インターコネクタ３０の他方の側に位置する電解質膜２２の上から延在するアノード２６の端面との間に、インターコネクタ３０の端面と第１の絶縁体１１０とが狭持された積層構造となっている。

アノード側突出部２８において、インターコネクタ３０の一方の側に位置する電解質膜２２側の側面が第２の絶縁体１１２で被覆されておらず、インターコネクタ３０と、インターコネクタ３０の一方の側に位置する電解質膜２２の上から延在するアノード２６とが電気的に接続している。また、アノード側突出部２８において、インターコネクタ３０は、第１の絶縁体１１０によりインターコネクタ３０の他方の側に位置する電解質膜２２の上から延在するアノード２６と電気的に絶縁されている。

一方、カソード側突出部３８の平坦な頂部面は、インターコネクタ３０の他方の側に位置する電解質膜２２の上から延在するカソード２４の端面と、インターコネクタ３０の一方の側に位置する電解質膜２２の上から延在するカソード２４の端面との間に、インターコネクタ３０の端面と第２の絶縁体１１２とが狭持された積層構造となっている。

カソード側突出部３８、インターコネクタ３０の他方の側に位置する電解質膜２２側の側面が第１の絶縁体１１０で被覆されておらず、インターコネクタ３０と、インターコネクタ３０の他方の側に位置する電解質膜２２の上から延在するカソード２４とが電気的に接続している。また、カソード側突出部３８において、インターコネクタ３０は、第２の絶縁体１１２によりインターコネクタ３０の一方の側に位置する電解質膜２２の上から延在するカソード２４と電気的に絶縁されている。なお、実施の形態３においても、実施の形態２と同様に被覆層４００および被覆層４１０を形成してもよい。

（実施の形態３に係る燃料電池の製造方法）
実施の形態３に係る燃料電池の製造方法のうち、特に複合膜１００の作製方法について、図１０乃至図１１を参照して説明する。

図１０（Ａ）に示すように、切断線Ｃで区画された領域において、インターコネクタ３０を挟んで第１の絶縁体１１０と第２の絶縁体１１２とがインターコネクタ３０の面方向に互いにずれるように形成された積層体２００を用意する。一対の切断線Ｃで区画されたインターコネクタ３０の一方の側では、一方の切断線Ｃからこれと交差する方向に所定の長さだけインターコネクタ３０が露出している。また、インターコネクタ３０の他方の側では、他方の切断線Ｃからこれと交差する方向に所定の長さだけインターコネクタ３０が露出している。

続いて、切断線Ｃに沿って積層体２００を切断し、棒状の複合材２１０に個片化する（図１０（Ｂ）参照）。

次に、図１１（Ａ）に示すように、複合材２１０の積層方向がガラス板などの台座３００の面方向に向くように、複合材２１０の一部を溝３０２に嵌め込んで台座３００の上に載置する。

次に、図１１（Ｂ）に示すように、一対の複合材２１０の間にナフィオンなどのイオン交換体を含む電解質溶液３１０を塗布する。

次に、図１１（Ｃ）に示すように、電解質溶液を乾燥させて電解質膜２２を形成する。溶媒の除去に伴い、電解質膜２２の厚さは、図１１（Ｂ）に示す電解質溶液３１０の厚さより薄くなる。電解質膜２２のアノード面に対して突出した複合材２１０の一部がアノード側突出部２８の一部となる。電解質膜２２のカソード面に対して突出した複合材２１０の一部がカソード側突出部３８の一部となる。

次に、図１１（Ｄ）に示すように、電解質膜２２のアノード面およびアノード側突出部２８を覆うようにアノード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してアノード２６を形成する。このとき、アノード側突出部２８の一方の側面に露出したインターコネクタ３０とアノード２６が接続する。また、電解質膜２２のカソード面およびカソード側突出部３８を覆うようにカソード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してカソード２４を形成する。このとき、カソード側突出部３８の他方の側面に露出したインターコネクタ３０とカソード２４が接続する。

次に、図１１（Ｅ）に示すように、アノード側突出部２８の頂部に形成されたアノード２６をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、アノード側突出部２８の頂部に平坦な露出面を形成する。同様に、カソード側突出部３８の頂部に形成されたカソード２４をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、カソード側突出部３８の頂部に平坦な露出面を形成する。

以上の工程により、実施の形態３の燃料電池に用いられる複合膜１００が作製される。

（実施の形態４）
図１２は、実施の形態４に係る燃料電池の構成を示す断面図である。本実施の形態の燃料電池１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であり、実施の形態１と同様な構成については説明を適宜省略する。

本実施の形態では、アノード側突出部２８のうち、一部のアノード側突出部２８’’の平坦な頂部面は、面取りされた側の電解質膜２２の上から延在するアノード２６の端面と、面取りされた側とは反対側の電解質膜２２の上から延在するアノード２６の端面との間に、第１の絶縁体１１０が介在した積層構造となっている。なお、アノード側突出部の全てが上述したアノード側突出部２８’’の構造で形成されていてもよい。

アノード側突出部２８’では、第１の絶縁体１１０は平坦な頂部面および面取りされた側とは反対側のインターコネクタ３０の側面に形成されている。第１の絶縁体１１０により、インターコネクタ３０と面取りされた側とは反対側のアノード２６とが電気的に絶縁されている。

また、本実施の形態では、カソード側突出部３８のうち、一部のカソード側突出部３８’’の平坦な頂部面は、面取りされた側の電解質膜２２の上から延在するカソード２４の端面と、面取りされた側とは反対側の電解質膜２２の上から延在するカソード２４の端面との間に第２の絶縁体１１２が介在した積層構造となっている。なお、カソード側突出部の全てが上述したカソード側突出部３８’’の構造で形成されていてもよい。

カソード側突出部３８’では、第２の絶縁体１１２は平坦な頂部面および面取りされた側とは反対側のインターコネクタ３０の側面に形成されている。第２の絶縁体１１２により、インターコネクタ３０と面取りされた側とは反対側のカソード２４とが電気的に絶縁されている。

（実施の形態４に係る燃料電池の製造方法）
実施の形態４に係る燃料電池の製造方法のうち、特に複合膜１００の作製方法について、図１３乃至図１４を参照して説明する。

図１３（Ａ）に示すように、棒状のインターコネクタ３０と、インターコネクタ３０の周囲を被覆する絶縁体１１４とからなる複合材２１０を用意する。

次に、図１３（Ｂ）に示すように、複合材２１０の長手方向に交差する断面において対角に位置する一対の角部を複合材２１０の長手方向に沿って面取りし、インターコネクタ３０を露出させる。これにより、第１の絶縁体１１０とこれと分離された第２の絶縁体１１２が形成される。

次に、図１４（Ａ）に示すように、第１の絶縁体１１０、インターコネクタ３０、第２の絶縁体１１２の積層方向が台座３００の面方向に向くように、複合材２１０の一部を溝３０２に嵌め込んで台座３００の上に載置する。

次に、図１４（Ｂ）に示すように、一対の複合材２１０の間にナフィオンなどのイオン交換体を含む電解質溶液３１０を塗布する。

次に、図１４（Ｃ）に示すように、電解質溶液を乾燥させて電解質膜２２を形成する。溶媒の除去に伴い、電解質膜２２の厚さは、図１４（Ｂ）に示す電解質溶液３１０の厚さより薄くなる。電解質膜２２のアノード面に対して突出した複合材２１０の一部がアノード側突出部２８の一部となる。電解質膜２２のカソード面に対して突出した複合材２１０の一部がカソード側突出部３８の一部となる。

次に、図１４（Ｄ）に示すように、電解質膜２２のアノード面およびアノード側突出部２８を覆うようにアノード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してアノード２６を形成する。このとき、アノード側突出部２８の一方の側面に露出したインターコネクタ３０とアノード２６が接続する。また、電解質膜２２のカソード面およびカソード側突出部３８を覆うようにカソード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してカソード２４を形成する。このとき、カソード側突出部３８の他方の側面に露出したインターコネクタ３０とカソード２４が接続する。

次に、図１４（Ｅ）に示すように、アノード側突出部２８の頂部に形成されたアノード２６をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、アノード側突出部２８の頂部に平坦な露出面を形成する。アノード側突出部２８の頂部面を構成する第１の絶縁体１１０が全て除去されると、実施の形態１と同様なアノード側突出部２８が形成される。アノード側突出部２８の頂部面の第１の絶縁体１１０の一部が除去されずに残ると、上述したアノード側突出部２８’’が形成される。

同様に、カソード側突出部３８の頂部に形成されたカソード２４をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、カソード側突出部３８の頂部に平坦な露出面を形成する。カソード側突出部３８の頂部面を構成する第２の絶縁体１１２が全て除去されると、実施の形態１と同様なカソード側突出部３８が形成される。カソード側突出部３８の頂部面を構成する第２の絶縁体１１２の一部が除去されずに残ると、上述したカソード側突出部３８’’が形成される。

以上の工程により、実施の形態４の燃料電池に用いられる複合膜１００が作製される。

（実施の形態５）
図１５は、実施の形態５に係る燃料電池の構成を示す断面図である。図１６は、実施の形態５のアノード側突出部およびカソード側突出部の構造を示す要部拡大図である。本実施の形態の燃料電池１０の基本的な構成は実施の形態３と同様であり、実施の形態３と同様な構成については説明を適宜省略する。

アノード側突出部２８において、第２の絶縁体１１２で被覆されていない部分のインターコネクタ３０の段差面Ｓ３が、第２の絶縁体１１２で被覆されている部分のインターコネクタ３０の側面に対して凹部となっている。言い換えると、アノード側突出部２８において、インターコネクタ３０には第２の絶縁体１１２に被覆されていない段差が形成されている。この段差の段差側面Ｓ２と第２の絶縁体１１２のアノード側突出部２８側の端面Ｓ１とが面一となっている。

一方、カソード側突出部３８において、第１の絶縁体１１０で被覆されていない部分のインターコネクタ３０の段差面Ｓ６が、第１の絶縁体１１０で被覆されている部分のインターコネクタ３０の側面に対して凹部となっている。言い換えると、カソード側突出部３８において、インターコネクタ３０には第１の絶縁体１１０に被覆されていない段差が形成されている。この段差の段差側面Ｓ５と第１の絶縁体１１０のカソード側突出部３８側の端面Ｓ４とが面一となっている。

本実施の形態は、膜電極接合体２０の隣接方向に沿った断面において、インターコネクタ３０および第１の絶縁体１１０の面取り部分およびインターコネクタ３０および第２の絶縁体１１１の面取り部分が、当該面取り部の両端を結ぶ線に対して凹部となっている（当該面取り部の両端を結ぶ線よりインターコネクタ３０の側に位置する）態様の一つである。このような面取り部の構造において、面取り部の両端における面取り角（図３に示す角Ａ、角Ｂ。本実施の形態では９０度）は、９０度以下であることが好ましい。これによれば、インターコネクタ３０および第２の絶縁体１１２とアノード２６とを確実に接触させることができる。なお、実施の形態５においても、実施の形態２と同様に被覆層４００および被覆層４１０を形成してもよい。

（実施の形態５に係る燃料電池の製造方法）
実施の形態３に係る燃料電池の製造方法のうち、特に複合膜１００の作製方法について、図１７乃至図１８を参照して説明する。

まず、図１７（Ａ）に示すように、インターコネクタ３０の両側にそれぞれ第１の絶縁体１１０および第２の絶縁体１１２が積層された積層体２００を用意する。第１の絶縁体１１０および第２の絶縁体１１２の厚さは、それぞれ、たとえば０．１ｍｍである。

次に、図１７（Ｂ）に示すように、第２の絶縁体１１２の一部および第２の絶縁体１１２側のインターコネクタ３０の一部をレーザ加工により選択的に除去する。第２の絶縁体１１２およびインターコネクタ３０を除去する領域は、併設されたいる複数の切断線Ｃのうち１本おきに配設されている切断線Ｃに沿っており、各除去領域は切断線Ｃが中心線となるような幅を持つ。同様に、第１の絶縁体１１０の一部および第１の絶縁体１１０側のインターコネクタ３０の一部ををレーザ加工により選択的に除去する。第１の絶縁体１１０およびインターコネクタ３０を除去する領域は、併設されたいる複数の切断線Ｃのうち１本おきに配設されている切断線Ｃに沿っており、各除去領域は切断線Ｃが中心線となるような幅を持つ。ただし、第１の絶縁体１１０の除去領域は、インターコネクタ３０を挟んで第２の絶縁体１１２の除去領域と互い違いになるように形成される。

次に、切断線Ｃに沿って積層体２００を切断し、棒状の複合材２１０に個片化する。

次に、図１８（Ａ）に示すように、複合材２１０の積層方向がガラス板などの台座３００の面方向に向くように、複合材２１０の一部を溝３０２に嵌め込んで台座３００の上に載置する。

次に、図１８（Ｂ）に示すように、一対の複合材２１０の間にナフィオンなどのイオン交換体を含む電解質溶液３１０を塗布する。このとき、電解質溶液３１０が第２の絶縁体１１２の端面Ｓ１やインターコネクタ３０の段差側面Ｓ２に塗布された場合には、これらの部分の余分な電解質溶液３１０をナイフなどの治具を用いて除去する。

次に、図１８（Ｃ）に示すように、電解質溶液を乾燥させて電解質膜２２を形成する。溶媒の除去に伴い、電解質膜２２の厚さは、図１１（Ｂ）に示す電解質溶液３１０の厚さより薄くなる。電解質膜２２のアノード面に対して突出した複合材２１０の一部がアノード側突出部２８の一部となる。電解質膜２２のカソード面に対して突出した複合材２１０の一部がカソード側突出部３８の一部となる。

次に、図１８（Ｄ）に示すように、電解質膜２２のアノード面およびアノード側突出部２８を覆うようにアノード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してアノード２６を形成する。このとき、アノード側突出部２８の一方の側面に露出したインターコネクタ３０とアノード２６が接続する。また、電解質膜２２のカソード面およびカソード側突出部３８を覆うようにカソード触媒スラリーをスプレー塗布法により塗布してカソード２４を形成する。このとき、カソード側突出部３８の他方の側面に露出したインターコネクタ３０とカソード２４が接続する。

次に、図１８（Ｅ）に示すように、アノード側突出部２８の頂部に形成されたアノード２６をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、アノード側突出部２８の頂部に平坦な露出面を形成する。同様に、カソード側突出部３８の頂部に形成されたカソード２４をへらやブレードなどを用いてそぎ落とし、カソード側突出部３８の頂部に平坦な露出面を形成する。

以上の工程により、実施の形態５の燃料電池に用いられる複合膜１００が作製される。

図１６に示すように、本実施の形態の燃料電池１０では、アノード側突出部２８のインターコネクタ３０の段差において、段差面Ｓ３および段差側面Ｓ２がアノード２６と接している。このため、インターコネクタ３０とアノード２６とが接する面積を実施の形態３に比べて増大させることができる。また、カソード側突出部３８のインターコネクタ３０の段差において、段差面Ｓ６および段差側面Ｓ５がカソード２４と接している。このため、インターコネクタ３０とカソード２４とが接する面積を実施の形態３に比べて増大させることができる。この結果、インターコネクタ３０と各電極との間の抵抗を低下させることができる。

また、図１８（Ｂ）に示す工程において、段差面Ｓ３をガイドとして段差側面Ｓ２の上をナイフなどの治具を滑らすことにより、必要な部分の電解質溶液を傷付けることなく、余分な電解質溶液を容易に除去することができる。

以上説明した各実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、セルの区画化にレーザ加工を用いることなく、セルが集積化された燃料電池用の複合膜を簡便に作製することがでる。セルの区画化にレーザ加工を用いていないため、レーザ照射によって灰が生成することがない。このため、電解質膜や触媒層を清浄に保つことができる。

また、実施の形態２に係る燃料電池の製造方法によれば、被覆層４００や被覆層４１０が介在することにより、インターコネクタ３０と当該インターコネクタ３０と接続すべきでないアノードまたはカソードとをより確実に電気的に絶縁することができる。

同様に、実施の形態４に係る燃料電池の製造方法によれば、第１の絶縁体１１０や第２の絶縁体１１２が介在することにより、インターコネクタ３０と当該インターコネクタ３０と接続すべきでないアノードまたはカソードとをより確実に電気的に絶縁することができる。

なお、上述した各実施の形態では、アノード側およびカソード側の両側に突出部が形成されているが、アノード側またはカソード側の一方のみに突出部が形成されていてもよい。突出部を形成しない側では、たとえば、電解質膜、インターコネクタおよび電解質膜とインターコネクタとを絶縁する絶縁体の各表面とで略同一平面を形成した後、マスクを用いて各セルに対応した領域に区画されるようにカソードまたはアノードを形成すればよい。

１０ 燃料電池、２０ 膜電極接合体、２２ 電解質膜、２４ カソード、２６ アノード、２８ アノード側突出部、３０ インターコネクタ、３８ カソード側突出部、５０ カソード用ハウジング、５２ アノード用ハウジング、６０ 空気室、６２ 燃料ガス室、１００ 複合膜

本発明は、燃料電池に利用可能である。

Claims (9)

1. 電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとをそれぞれ含み、平面配列された複数の膜電極接合体と、
   隣接する前記膜電極接合体の間において、前記電解質膜の両主面にそれぞれ前記アノード、前記カソードが設けられている領域に位置する前記アノードまたは前記カソードの少なくとも一方の電極の表面に対して突出し、平坦な頂部面を持つ突出部と、
   前記突出部の一方の膜電極接合体側の側面において当該膜電極接合体の前記電極と接触するように、隣接する前記膜電極接合体の間に形成されているインターコネクタと、
   前記頂部面の一部をなすとともに、前記突出部において、前記インターコネクタと前記突出部の他方の膜電極接合体側の電極とを電気的に絶縁する第１の絶縁体と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記突出部の頂部に形成された面取り部分で、前記インターコネクタと前記電極が接触している請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記突出部の頂部面が一方の膜電極接合体から延在する電極の端面、インターコネクタの端面、第１の絶縁体の端面および他方の膜電極接合体から延在する電極の端面がこの順で積層した積層面で形成されている請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記頂部面の一部をなすとともに、前記突出部において、前記インターコネクタと前記突出部の一方の膜電極接合体側の電極とを電気的に絶縁する第２の絶縁体を備え、
   前記インターコネクタには前記第２の絶縁体に被覆されていない段差が形成されており、膜電極接合体の隣接方向に垂直な方向に関して、前記段差の段差側面と前記第２の絶縁体の端面とが面一となっている請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとをそれぞれ含み、平面配列された複数の膜電極接合体と、
   隣接する前記膜電極接合体の間において、前記電解質膜の両主面にそれぞれ前記アノード、前記カソードが設けられている領域に位置する前記アノードまたは前記カソードの少なくとも一方の電極の表面に対して突出し、平坦な頂部面を持つ突出部と、
   前記突出部の一方の膜電極接合体側の側面において当該膜電極接合体の前記電極と接触するように、隣接する前記膜電極接合体の間に形成されているインターコネクタと、
   前記突出部において、前記インターコネクタと前記突出部の他方の膜電極接合体側の電極とを電気的に絶縁する絶縁体と、
   前記頂部面の一部をなし、前記インターコネクタと前記絶縁体を被覆する絶縁性の被覆層と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
6. 前記突出部の頂部面が一方の膜電極接合体から延在する電極の端面、前記被覆層および他方の膜電極接合体から延在する電極の端面がこの順で積層した積層面で形成されている請求項５に記載の燃料電池。
7. インターコネクタの両側にそれぞれ絶縁体が積層され、積層面の角部において、前記インターコネクタが積層方向に露出した複合材を用意する工程と、
   隣接する膜電極接合体の電解質膜の間に、積層方向が前記電解質膜の面方向と交差し、かつ、前記電解質膜の電極面に対して突出する突出部が形成されるように複合材を設置する工程と、
   前記突出部およびこれを挟む電解質膜の上に電極を形成する工程と、
   前記突出部の頂部を被覆する前記電極を除去する工程と、
   を備える燃料電池の製造方法。
8. 前記複合材を用意する工程において、インターコネクタの両側にそれぞれ絶縁体を積層した後、積層面の角部を前記積層面と交差する方向に面取りする請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
9. 前記複合材は前記突出部の頂部を被覆する被覆層を備え、
   前記電極を除去する工程において、前記突出部の頂部を被覆する前記電極および少なくとも一部の前記被覆層が除去される請求項７または８に記載の燃料電池の製造方法。

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