JP7041641B2 - 燃料電池の製造方法、及び燃料電池の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置に関する。

燃料電池は、水素と酸素とから電力を得る装置である。発電に伴い水が生成するのみであるためクリーンな電力源として近年注目されている。このような燃料電池の単位セルの電圧は０．６～０．８Ｖ程度と低いため、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とセパレータよりなる単位セルを複数積層して直列に接続し高出力を得る燃料電池スタックが実用化されている。この燃料電池スタックは、積層するに当たり作業工程が多いため手間がかかるという問題がある。

一方、１枚の電解質膜に平面状に複数の単位セルを形成するとともに、隣接する単位セル同士を接続するためのインターコネクタ部を形成し、複数の単位セルを直列に接続した燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構成では１枚の電解質膜で高電圧化することができ、単位セルを積層する作業の撤廃又は削減が可能といったメリットがある。

国際公開２０１８／１２４０３９号

従来の燃料電池の製造方法では、初めに比較的低温のレーザー光を照射し、その後、比較的高温のレーザー光を照射して、緩やかに温度上昇させて適切なインターコネクト部を形成していた。

また、特許文献１では、１つのレーザー発振器で出力照射強度と送り速度（移動速度）を制御することによりインターコネクト部を形成することも提案している。しかしながら、適切なインターコネクト部を形成するためには、出力照射強度と送り速度（移動速度）を高精度に制御する必要があり、低廉な装置で燃料電池を製造することが困難であった。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、１つのレーザー発振器で高精度の制御を必要とすることなく適切なインターコネクト部を形成することができる燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置を提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明の燃料電池の製造方法は、
燃料電池の炭化水素系の電解質膜に、レーザー光を相対的に移動させながら照射して、前記電解質膜の膜厚方向に導通するインターコネクト部を形成するＩＣ形成工程を備える燃料電池の製造方法であって、
前記ＩＣ形成工程において、前記レーザー光は、前記電解質膜の表面上において前記レーザー光の移動方向の集光度合よりも前記移動方向に直交する直交方向の集光度合が強くなるようにして照射されることを特徴とする。

本発明によれば、レーザー光は、電解質膜の表面上においてレーザー光の移動方向の集光度合よりも直交方向に強く集光される。従って、直交方向と比較して、移動方向においてはレーザー光の端から中央に向かって緩やかに温度が高くなる。

よって、上記レーザー光を電解質膜に照射することにより移動方向上においてレーザー光の端の部分である比較的低温なレーザー光の部分が電解質膜に照射され、その後、レーザー光の移動に伴いレーザー光の中央部分へとレーザー光の照射部分が遷移していく。このため、インターコネクト部を形成すべく電解質膜を加熱するときに比較的緩やかに温度上昇させることができる。ゆえに、１つのレーザー発振器で高精度の制御を必要とすることなく適切なインターコネクト部を形成することができる。

［２］また、本発明においては、前記ＩＣ形成工程は、不活性ガス雰囲気下で行なうことができる。本発明によれば、電解質膜の表面上においてレーザー照射部の酸素を少なくすることができ、電解質膜が適切に炭化することができて、更に良好なインターコネクト部を形成することができる。

［３］また、本発明においては、前記ＩＣ形成工程において、不活性ガスを前記レーザー光の照射部分に吹き付けてもよい。

本発明によれば、電解質膜におけるレーザー光の照射部分での酸素を少なくすることができ、電解質膜が適切に炭化することができて、更に良好なインターコネクト部を形成することができる。また、不活性ガスは、レーザー光の移動方向の後方から吹き付けてもよい。かかる方法によれば、レーザー光がインターコネクト部で形成された後、速やかに冷却させることができる。

［４］本発明の燃料電池の製造装置は、
電解質膜にレーザー光を照射しながら前記レーザー光を前記電解質膜に対して相対的に移動させてインターコネクト部を形成する燃料電池の製造装置であって、
前記レーザー光は、移動方向の集光度合よりも前記移動方向に直交する直交方向の集光度合が強くなるようにして移動方向に長い形状で前記電解質膜に照射されて前記インターコネクト部を形成することを特徴とする。

本発明によれば、レーザー光は、電解質膜の表面上においてレーザー光の移動方向に直交する方向に集光され、移動方向では集光されていない。従って、直交方向と比較して、移動方向においてレーザー光は端から中央に向かって緩やかに温度が高くなる温度分布となる。

よって、上記レーザー光を照射することにより移動方向上においてレーザー光の端の部分である比較的低温なレーザー光の部分が電解質膜に照射され、その後、レーザー光の移動に伴いレーザー光の中央部分へとレーザー光の照射部分が遷移していくため、比較的緩やかに温度上昇させることができる。ゆえに、１つのレーザー発振器で高精度の制御を必要とすることなく適切なインターコネクト部を形成することができる。

［５］また、本発明においては、
シリンドリカルレンズを備え、
前記レーザー光は、前記シリンドリカルレンズにより、移動方向に直交する直交方向に集光されて移動方向に長い形状で前記電解質膜に照射されることができる。

直交方向の集光度合を移動方向の集光度合よりも大きくするだけでもよいが、断面半円形状のシリンドリカルレンズを用いて、移動方向には集光させずに直交方向にのみ集光させれば、レーザー光の移動方向の温度分布をより緩やかにすることができ、更に適切なインターコネクト部を形成し易くすることができる。

［６］また、本発明においては、
前記レーザー光を出力するレーザー発振器と、
前記レーザー発振器から出力されたレーザー光の径を拡径するレーザーエキスパンダと、
を備え、
前記レーザーエキスパンダで拡径されたレーザー光を前記直交方向に集光させて照射することが好ましい。

本発明によれば、レーザー光の径を変更するために、レーザー発振器を取り替えることなく、レーザーエキスパンダでレーザー発振器から出力されるレーザー光を適切な径に調整して照射することができ、レーザーエキスパンダで電解質膜に照射するレーザー光の移動方向の長さを電解質膜の設計変更などに応じて調整することができる。

［７］また、本発明においては、前記レーザー光の移動方向の後部分を遮光する遮光部を設けることができる。

本発明によれば、レーザー光の中心部が照射されることによって、電解質膜にインターコネクト部が形成された後、レーザー光の移動方向の後ろ部分がインターコネクト部に照射されるとインターコネクト部が迅速に冷却されないこととなるが、上述の如く、レーザー光の移動方向の後ろ部分を遮光する遮光部を設けることにより、レーザー光の中心部が照射されてインターコネクト部が形成された後、遮光部でレーザー光の不要な照射が継続されることを防ぐことができる。

本発明を適用した実施形態の燃料電池を示す模式的断面図である。 本実施形態の燃料電池の要部を拡大して示す模式的断面図である。 芳香族系高分子を加熱する前のＦＴ－ＩＲスペクトルを示す図である。 芳香族系高分子を加熱した後のＦＴ－ＩＲスペクトルを示す図である。 芳香族系高分子の加熱前後におけるラマンスペクトルを示す図である。 本実施形態のレーザー照射に用いられるレーザー装置を模式的に示す説明図。 本実施形態のインターコネクト部に照射されるレーザー光の温度分布を濃淡で表した説明図。 インターコネクト部を形成するときの理想的な温度変化特性を示す説明図。 本実施形態のレーザー光の照射時に不活性ガスを吹き付ける状態を示す説明図。

以下、図面を参照しながら、本発明に実施の形態についてさらに詳しく説明する。

＜燃料電池＞
図１は、本発明を適用した燃料電池の一実施形態を示す模式断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す図であり、上側がアノード、下側がカソードである。図１、図２に示す燃料電池１０の膜・電極接合体（ＭＥＡ）１１は、炭化水素系の電解質膜１２の両面側に、ガス拡散層１８を備え、下側には電極層として触媒層１６が、上側には電極層として触媒層１６と電解質膜１２に接する保護層１４が設けられている。すなわち、本実施形態では上側の電極層は触媒層１６と保護層１４の２層で構成されている。さらに、上側のガス拡散層１８の上方には上板２０が設けられ、下側のガス拡散層の下方には下板２２が設けられている。なお、図１においては、中央に位置する積層構造を省略した状態の燃料電池１０を描いている。

上板２０・下板２２それぞれのガス拡散層１８側の面には水素ガス・酸素含有ガス（空気）のための流路溝（図中の凹部分）が設けられている。電解質膜１２の上面（アノード側）の周縁部と上板２０との間にはシール２４が設けられる。シール２４は電解質膜１２と上板２０とに当接し、上板２０と電解質膜１２と間の空間を密封する。なお上板２０には、図示しない水素供給手段から供給される水素を、上板２０と電解質膜１２との間に導入する、図示しない水素導入口が設けられている。一方、電解質膜１２の下面（カソード側）は上面のように密封されることなく、周囲の空気から酸素を取り入れる構造となっている。

また、電解質膜１２の下面（カソード側）では、ＭＥＡ１１の両端部（図１中左端及び右端）下面のガス拡散層１８と下板２２との間には黒鉛シート２６が配され、黒鉛シート２６はガス拡散層１８に当接するよう構成される。それぞれの黒鉛シート２６には導線２８が接続され、燃料電池１０にて生じた電力は導線２８を通じて外部に取り出されることになる。なお、電解質膜１２と、保護層１４、触媒層１６、及びガス拡散層１８は、上板２０と下板２２とにより挟持されている。

電解質膜１２の上面側の保護層１４、触媒層１６、及びガス拡散層１８、並び電解質膜１２の下面側の触媒層１６、及びガス拡散層１８は分割溝１７により分割され、複数の領域（以下、「電極領域」と呼ぶ。）が形成されている。これら電極領域は、分割溝１７の延伸方向を長辺、２つの分割溝間を短辺とする長方形状である。また、電解質膜１２の上面側における電極領域は、下面側の電極領域と対向するように配置されている。

ＭＥＡ１１において、電解質膜１２の上面側の一つの電極領域と、この電極領域の一部に対向する下面側における電極領域と、それらの電極領域の間に位置する電解質膜１２とを含む積層構造により単位セル（発電セル）が構成されている。つまり、図１中、電解質膜１２と、電解質膜１２の上面側の保護層１４、触媒層１６、及びガス拡散層１８、並びに下面側の触媒層１６、及びガス拡散層１８からなる積層構造が単位セルである。図１において最も左に位置する単位セルのみを破線Ｌで示す。

電解質膜１２の内部には、一つの単位セルの上面側における電極領域と、前記一つの単位セルの隣の単位セルの下面側の電極領域とを電気的に接続するインターコネクト部３０を有する。インターコネクト部３０により、隣接する単位セル同士が電気的に直列接続される。

図１、図２において、各電極領域の幅（２つの分割溝１７の間の長さ。図２の第２領域Ｙ。）は、例えば、約５ｍｍとすることができ、インターコネクト部３０の幅は約０．１ｍｍとすることができ、分割溝１７の幅は０．２ｍｍとすることができる。

電解質膜１２の上面側の保護層１４と触媒層１６との間には、少なくともインターコネクト部３０に隣接する電解質膜１２の部分と積層方向で重なるように位置させて、非プロトン伝導性層１１０が設けられている。非プロトン伝導性層１１０は、触媒層１６の保護層１４側の面に真空蒸着にて金（Ａｕ）の薄膜を０．１５μｍで形成したものである。

非プロトン伝導性層１１０は、金（Ａｕ）以外にも、プロトン伝導性がなく、導電性があり、且つ酸化し難いものであれば他の材料を用いてもよい。例えば、白金（Ｐｔ）や銀（Ａｇ）などの貴金属やカーボンで非プロトン伝導性層１１０を形成してもよい。比較例として、アルミニウム（Ａｌ）を真空蒸着してＡｌ膜を形成してみたが、電気抵抗が高かったため、金（Ａｕ）の膜の方が好ましいことが分かった。また、燃料電池１０に非プロトン伝導性層１１０による段差を生じない（若しくは問題ない程度に段差を収める）ため、非プロトン伝導性層１１０をできるだけ薄く形成することが好ましい。

以上の構成において、アノード側に水素ガスが供給され、カソード側に酸素含有ガス（空気）が供給されることで各単位セルにおいて発電され、２つの黒鉛シート２６に接続した導線２８を通じて電力を取り出すことができる。そして、各単位セルは直列接続されているため、各単位セルの電圧の和が燃料電池１０の電圧となる。

本実施形態の燃料電池１０の構成要素について、以下に詳述する。

［電解質膜］
本発明の燃料電池における電解質膜に炭化水素系のものであれば特に限定はなく、種々の電解質膜を採用することができる。そして、上記の通り、電解質膜内に、隣接する単位セル同士を電気的に直列接続するインターコネクト部３０を備える。インターコネクト部３０は、後述するように、電解質膜に局所的に熱をかけて炭化することで形成される。

電解質膜のプロトン伝導性樹脂としては、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入した芳香族系高分子化合物が好ましい。ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸樹脂に比べ、炭化によるインターコネクト部の形成が容易にできるからである。理由は定かではないが、芳香族系高分子は分子構造中に炭素の６員環構造を含むため熱分解により黒鉛化しやすいものと考えられる。このような芳香族系高分子は例えば、約９００℃で加熱することにより導電性をもつ炭化物に変化する。

［触媒層］
触媒層は、例えば、触媒金属を担持した炭素粒子（触媒粒子）を含んで構成される。炭素粒子としては、カーボンブラックを用いることができるが、この他にも、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブ等の炭素化合物を採用することができる。一方、触媒金属としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属を単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。

触媒層は前記触媒粒子の他、プロトン伝導樹脂を含む。触媒層は水素ガスや酸素含有ガスとの接触面積が大きくなるよう多孔性の構造をとる。そのため、プロトン伝導樹脂の充填密度は後述の保護層よりも小さく設定される。例えば、触媒層に対するプロトン伝導樹脂は３０～５０ｗｔ％とすることができる。

平面配列型の燃料電池１０は、インターコネクト部３０の近傍の一方の面の分割溝（例えば上側の分割溝１７）と他方の面の分割溝（例えば、下側の分割溝１７）に挟まれた領域（第２領域Ｙ。図２中、上側の分割溝１７と下側の分割溝１７に挟まれた領域。）が正味の電力に寄与しないデッドエリアになるが、そのような領域においても触媒と水素あるいは酸素との電気化学反応が生じうる。ところが、インターコネクト部３０により電解質膜１２の両面側の電極層が電気的に接続されているため、生じた電気エネルギーは熱に変化する。すると、燃料電池に過度の発熱を生じさせ、燃料電池の性能が低下する虞がある。

そこで、積層方向から見たとき、保護層１４を備える一方の面側（上側）の触媒層１６と保護層１４との間には、隣接する単位セル同士の間に位置させて第１領域Ｘに非プロトン伝導性層１１０を真空蒸着にて薄い膜状に形成する。非プロトン伝導性層１１０により、デッドスペースにおける両触媒層１６の間での反応が生じ難く、もって発熱を抑制することができる。なお非プロトン伝導性層１１０は保護層１４側に真空蒸着させてもよい。また、非プロトン伝導性層１１０の形成方法は真空蒸着に限らず、膜状体の貼り付けや塗布であってもよい。

以下、本実施形態の燃料電池の発電を開始した後の、インターコネクト部近傍の一方の面の分割溝と他方の面の分割溝に挟まれた領域である“デッドスペース”における温度変化を表１に示す。なお表中、燃料電池Ｉは比較例として前記デッドスペースにおいて非プロトン伝導性層が設けられていないものであり、燃料電池IIは本実施形態と同様に前記デッドスペースにおいて非プロトン伝導性層が設けられているものである。

上記表より、非プロトン伝導性層を有しない燃料電池Ｉは発電開始後から発熱し温度が上昇する。すなわち、無駄な電気化学反応が生じてしまっている。さらに燃料電池のカソード側が開放されたものであると、この発熱により電解質膜が乾燥してしまい、発電性能が低下する虞がある。一方、非プロトン伝導性層を有する燃料電池IIは温度上昇が見られないことが分かる。すなわち、上記の無駄な電気化学反応が抑制され、かつ電解質膜の乾燥も抑制されていることがわかる。

［保護層］
電解質膜、又は電解質膜内のインターコネクト部若しくはその近傍において、ガスがリークするいわゆるクロスリークを防止するために、電解質膜の一方の面側又は両面側に保護層を設けることが好ましい。図１においては、電解質膜１２の上面側に保護層を設けている。

保護層は、クロスリークを防止できるのであればその形態について問わないが、ガスバリア性を備えつつ、さらに電気伝導性及びプロトン伝導性を備えた保護層が好ましい。

上記保護層の一形態として、プロトン伝導性樹脂と導電性カーボン（炭素）とから形成することができる。ガスバリア性を高めるため、プロトン伝導性樹脂の充填密度は、触媒層のプロトン伝導性樹脂の充填密度よりも高く設定される。例えば、保護層におけるプロトン伝導性樹脂は７０ｗｔ％以上とすることができる。なお、プロトン伝導性樹脂は触媒層と同じ材料であっても異なる材料であってもよい。

プロトン伝導性樹脂としては、ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸樹脂や前述の芳香族系高分子化合物を用いることができる。

導電性カーボンとしては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。

上記のような保護層は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのプロトン伝導性樹脂の分散液にケッチェンブラック等の導電性カーボンを添加して調製した塗布液を塗布・乾燥することで形成することができる。なお、保護層の厚みとしては、例えば５～５０μｍとすることができる。

［ガス拡散層］
ガス拡散層１８は、基材と、多孔質層とが積層されて構成される。基材は、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることができる。

［上板、下板］
上板２０及び下板２２は、前述のようにガス拡散層１８側にガスのための流路溝（凹部分）を備える。ＭＥＡ１１の単セル同士はインターコネクト部３０を通して直列に接続されるので、上板２０及び下板２２は絶縁性の樹脂で形成することが好ましい。当該汎用樹脂としては、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）等を挙げることができる。

＜燃料電池の製造方法＞
本実施形態の燃料電池は、以下に説明する本発明の実施形態の製造方法により製造することができる。

まず、ガス拡散層１８の素材となるカーボンペーパーを準備する。このカーボンペーパーの一面に対し触媒層１６を形成すべく、触媒とプロトン伝導性樹脂を含むインクを塗工する。さらに、触媒層１６の上に保護層１４を形成する場合は、形成した前記触媒層１６の上に導電材（ケッチェンブラックなど）とプロトン伝導性樹脂を含むインクを塗工する。

このように作成したガス拡散層と電極層の積層体（以下、「拡散電極積層体」）について、電極領域間の分割溝１７を形成する。分割溝の形成は、針状の刃具を用いて機械的に当該部分のガス拡散層・電極層を除去する方法やレーザー光を照射し当該部分を蒸発させる方法により行うことができる。

上記のように分割溝１７を形成した前記拡散電極積層体の上に電解質膜１２を載置する。そして、電解質膜１２のインターコネクト部３０を形成しようとする箇所に対して局所的に熱をかける。その手段としては、レーザー光照射を挙げることができる。使用するレーザー光源としては、例えば、ＣＯ２レーザーを挙げることができる。

図６に、本実施形態のレーザー光を照射するレーザー装置を模式的に示す。レーザー装置は、ＣＯ２レーザーを出力する発振器４１０と、発振器４１０から照射されたレーザー光４１０ａを拡径するレーザーエキスパンダ４２０と、レーザーエキスパンダ４２０から出力されたレーザー光４２０ａを直角に反射させるミラー４３０と、ミラー４３０で反射されたレーザー光４３０ａのうち、レーザー装置が移動する移動方向に直交する直交成分のみを集光させるシリンドリカルレンズ４４０と、を備える。

シリンドリカルレンズ４４０を通過したレーザー光４４０ａは、載置台４６０の上に載置された電解質膜１２にマスキング治具４５０を介して照射され、電解質膜１２にインターコネクト部３０が形成される。

図７は、インターコネクト部３０を形成するときに電解質膜１２に照射されるレーザー光４４０ａの温度分布を濃淡で示しており、中央に向かうに従って次第に温度が高くなっている。図７から明らかなように、レーザー光４４０ａは、レーザー光４４０ａの進行方向に直交する方向において、縁から中央にかけてほとんど温度差がないのに対し、進行方向において、縁から中央にかけて緩やかに温度が変化していることがわかる。

従って、進行方向に対して直交する方向にのみ集光させたレーザー光を用いてインターコネクト部３０を形成することにより、１つのレーザー光で、レーザー光の複雑な制御を必要とすることなく、図８に示す理想的な温度変化に近い状況でインターコネクト部３０を形成することができる。

なお、レーザー光の中央部が照射された後は速やかにインターコネクト部３０が冷却されることが好ましい。従って、移動方向においてレーザー光の中央部より後方部分がインターコネクト部３０に照射されないように遮蔽板（本発明の遮光部に相当する）などでレーザー光の後方部分の照射を阻止してもよい。

また、レーザーエキスパンダ４２０で発振器４１０から出力されるレーザー光を拡径しているため、異なる種類の燃料電池を製造するときであってレーザー光の径を変更する必要がある場合であっても、発振器４１０を交換することなく、レーザーエキスパンダ４２０でレーザー光の径を調整して対応することができる。

図９は、インターコネクト形成工程（ＩＣ形成工程）において、不活性ガスをレーザー光２３１ａの照射部分に移動方向の後方から吹き付けるガス吹付け装置３１０を示している。これにより、電解質膜１２の表面上におけるレーザー光２３１ａの照射部分での酸素量を少なくすることができ、電解質膜１２が更に適切に炭化し易くすることができて、良好なインターコネクト部３０を形成することができる。ガス吹付け装置３１０は、レーザー装置２３１の移動に追従して共に移動可能に接続されている。なお、ガス吹付け装置３１０を用いる代わりに、レーザー照射空間に不活性ガスを充満させて、不活性ガス雰囲気下でレーザー照射を行なってもよい。

上記のようにしてインターコネクト部３０を形成した電解質膜の前記拡散電極積層体とは逆の面側に、さらに他の拡散電極積層体をその電極層が電解質膜１２側となるよう載置する。前記他の拡散電極積層体も載置前に分割溝１７が形成されており、該分割溝１７が前記インターコネクト部３０に対し所定の位置となるよう（すなわち、インターコネクト部が当該拡散電極積層体の電極領域で被覆されるよう）、位置あわせして載置される。

このように拡散電極積層体・電解質膜・他の拡散電極積層体を重ねた上で、その積層方向にホットプレスを行うことでこれらを一体化させて、ＭＥＡ１１が製造される。

上記のように、まず触媒層と保護層を積層させ、次いで分割溝を形成する製造方法では、容易に電極領域を形成することができるため、ロール・トゥ・ロールで連続的に製造するのに適している。

ここで、プロトン伝導性樹脂として芳香族系高分子を用いた場合の前記インターコネクト部箇所の前記加熱前と加熱後とにおける、赤外線分光（ＦＴ－ＩＲ）と、ラマン分光の測定結果について示す。図３、図４はそれぞれ加熱前、加熱後のＦＴ－ＩＲスペクトルを示す。加熱前の図３ではプロトン伝導性樹脂中の原子間の結合由来の吸収線が見られるのに対し、加熱後の図４では前記吸収線が消失した。これは加熱によりプロトン伝導樹脂が分解し、炭素質に変化したためと考えられる。

一方、ラマン分光の測定結果では、加熱前にはピークが現れていないものの、加熱後には１３５０ｃｍ^－１付近と１６００ｃｍ^－１付近にピークが出現していることが分かる（図５）。これらは炭素質材料由来のそれぞれＤバンド、Ｇバンドと考えられ、前記加熱により当該箇所が炭素質に変化していると考えられる。
以上のようにプロトン伝導性樹脂を加熱により炭化させることで、当該箇所に対し体積抵抗率が０．１Ω・ｍｍ程度の導電性を容易に付与することができる。

本実施形態の燃料電池１０及びその製造方法によれば、レーザー光は、電解質膜１２の表面上においてレーザー光の移動方向の集光度合よりも直交方向に強く集光される。従って、直交方向と比較して、移動方向においてはレーザー光の端から中央に向かって緩やかに温度が高くなる。

よって、上記レーザー光を電解質膜１２に照射することにより移動方向上においてレーザー光の端の部分である比較的低温なレーザー光の部分が電解質膜１２に初めに照射され、その後、レーザー光の移動に伴いレーザー光の中央部分へとレーザー光の照射部分が遷移していく。このため、インターコネクト部３０を形成すべく電解質膜１２を加熱するときに比較的緩やかに温度上昇させることができ、図８に示す理想的な温度変化に近い状態でインターコネクト部３０を形成することができる。ゆえに、１つのレーザー発振器で高精度の制御を必要とすることなく適切なインターコネクト部３０を形成することができる。

また、インターコネクト部３０の周辺のプロトン伝導性を抑制させるために、従来のように第１触媒層をレーザーや刃などで除去することなく、第１触媒層１６と電解質膜１２との間であって、インターコネクト部３０及び当該インターコネクト部３０の縁に隣接する電解質膜１２の部分を覆うように、第１触媒層１６よりも薄い厚さであり且つ導電性を備える非プロトン伝導性層１１０が設けられている。

このため、ガス拡散層１６と電解質膜１２との間に隙間を発生させることなく、インターコネクト部３０の発熱を抑制させることができる。従って、隙間が生じないため、インターコネクト部３０のガス拡散層１６を電解質膜側へ押圧する構造を採用する必要がなく、若しくはインターコネクト部３０を炭化させて形成する際に空いた隙間分だけ押圧すればよいため、従来と比べて低い押圧力で済み、燃料電池１０の構造の簡略化を図ることができる。

また、本実施形態の燃料電池１０によれば、保護層１４によって、インターコネクト部３０及びその近傍の電解質膜１２の部分から水素ガスや空気などの漏れを抑制又は防止することができる。

また、本実施形態の燃料電池１０においては、保護層１４と電解質膜１２の上側の触媒層１６である第１触媒層１６とは、隣接する単位セルＬ同士の隣接方向の幅が同一となるように、設定されている。

かかる構成によれば、保護層１４と第１触媒層１６との幅の相違による段差の発生を防止でき、保護層１４と第１触媒層１６との幅の相違に伴う電解質膜１２と第１ガス拡散層１６との間の隙間の発生を防止することができる。

また、本実施形態の燃料電池１０においては、単位セルＬの第１触媒層１６と、単位セルＬに隣接する他の単位セルＬの下側の触媒層１６である第２触媒層１６とが、電解質膜１２を挟んで重なり合う「重なり領域Ｙ」（図２参照）を備えており、非プロトン伝導性層１１０は、少なくとも重なり領域Ｙにおける電解質膜１２を覆うように設けられている。

かかる構成によれば、非プロトン伝導性層１１０によって更に適切にインターコネクト部３０での発熱を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池１０においては、非プロトン伝導性層１１０は、重なり領域Ｙに加えて、第１触媒層１６と、一の単位セルＬに隣接する他の単位セルＬの第２触媒層１６とが、電解質膜１２を挟んで重なり合っていない領域であって、前記一の単位セルＬ自身の第２触媒層１６から電解質膜１２が露出した領域（図２における第１領域Ｘから第２領域Ｙを除いた残りの部分の領域）に設けられ、且つ、同一の単位セルＬ内における第１触媒層１６と第２触媒層１６との間には設けられていない。

かかる構成によれば、インターコネクト部３０を非プロトン伝導性層１１０でしっかりと覆うことができると共に、非プロトン伝導性層１１０を露出した領域（第１領域Ｘから第２領域Ｙを除いた残りの部分の領域）に設けることができるため、前記露出した領域において、非プロトン伝導性層１１０の形成において、ある程度の製造誤差を許容することができ、非プロトン伝導性層１１０の形成、ひいては燃料電池１０自体の製造が容易となる。

なお、本実施形態においては、シリンドリカルレンズ４４０を用いて直交方向にのみ集光させたものを説明したが、本発明は、移動方向の集光度合よりも直交方向の集光度合が強く設定されていればよく、集光レンズはシリンドリカルレンズに限らない。

また、本実施形態では、インターコネクト部３０の縁に隣接する電解質膜１２の部分のみならず、インターコネクト部３０をも覆うように保護層１４と第１触媒層１６との間に非プロトン伝導性層１１０を設けたものを説明した。しかしながら、本発明の非プロトン伝導性層は、非プロトン伝導性層の形成が少し複雑になる可能性があるものの、少なくともインターコネクト部３０の縁に隣接する電解質膜１２の部分を覆うように設けられていればよく、これによりインターコネクト部３０の近傍でのプロトンの伝導を抑制するという本発明の効果を奏することができる。また、非プロトン伝導性層１１０の代わりにデッドスペースにおける第１触媒層１６をレーザーで除去しても、本発明の１つのレーザー発振器で適切なインターコネクト部を複雑な制御なしに形成することができるという作用効果を得ることができる。

１０ 燃料電池
１２ 電解質膜
１４ 保護層
１６ 触媒層
１７ 分割溝
１８ ガス拡散層
２０ 上板
２２ 下板
２４ シール
２６ 黒鉛シート
２８ 導線
３０ インターコネクト部
１１０ 非プロトン伝導性層

Claims (7)

1. 燃料電池の炭化水素系の電解質膜に、レーザー光を相対的に移動させながら照射して、前記電解質膜の膜厚方向に導通するインターコネクト部を形成するＩＣ形成工程を備える燃料電池の製造方法であって、
   前記ＩＣ形成工程において、前記レーザー光は、前記電解質膜の表面上において前記レーザー光の移動方向の集光度合よりも前記移動方向に直交する直交方向の集光度合が強くなるようにして照射されることを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記ＩＣ形成工程は、不活性ガス雰囲気下で行なうことを特徴とする燃料電池の製造方法。
3. 請求項１に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記ＩＣ形成工程において、不活性ガスを前記レーザー光の照射部分に吹き付けることを特徴とする燃料電池の製造方法。
4. 電解質膜にレーザー光を照射しながら前記レーザー光を前記電解質膜に対して相対的に移動させてインターコネクト部を形成する燃料電池の製造装置であって、
   前記レーザー光は、移動方向の集光度合よりも前記移動方向に直交する直交方向の集光度合が強くなるようにして移動方向に長い形状で前記電解質膜に照射されて前記インターコネクト部を形成することを特徴とする燃料電池の製造装置。
5. 請求項４に記載の燃料電池の製造装置であって、
   シリンドリカルレンズを備え、
   前記レーザー光は、前記シリンドリカルレンズにより、移動方向に直交する直交方向に集光されて移動方向に長い形状で前記電解質膜に照射されることを特徴とする燃料電池の製造装置。
6. 請求項４又は請求項５に記載の燃料電池の製造装置であって、
   前記レーザー光を出力するレーザー発振器と、
   前記レーザー発振器から出力されたレーザー光の径を拡径するレーザーエキスパンダと、
   を備え、
   前記レーザーエキスパンダで拡径されたレーザー光を前記直交方向に集光させて照射することを特徴とする燃料電池の製造装置。
7. 請求項４から請求項６の何れか１項に記載の燃料電池の製造装置であって、
   前記レーザー光の移動方向の後部分を遮光する遮光部を備えることを特徴とする燃料電池の製造装置。

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