(57)【特許請求の範囲】
【請求項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拡散層が積層されるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周端面が少なくとも一方の前記拡散層の外周端面よりも外方に突出する燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
一対の前記拡散層により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、前記固体高分子電解質膜と一対の前記拡散層とを一体化させる工程と、
前記固体高分子電解質膜と一対の前記拡散層とが前記ホットプレスにより一体化された後、少なくとも一方の前記拡散層の外周縁部を、少なくとも一方の該拡散層に予め設けられた分離部位に沿って切り離す工程と、
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。
【請求項２】
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拡散層が積層されるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周端面が少なくとも一方の前記拡散層の外周端面よりも外方に突出する燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
一対の前記拡散層により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、
前記積層体間にシート部材を介装して複数の前記積層体を同時にホットプレスすることにより、各積層体を構成する前記固体高分子電解質膜と一対の前記拡散層とを一体化させる工程と、
前記固体高分子電解質膜と一対の前記拡散層とが前記ホットプレスにより一体化された後、少なくとも一方の前記拡散層の外周縁部を、少なくとも一方の該拡散層に予め設けられた分離部位に沿って切り離す工程と、
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。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の製造方法において、前記拡散層には、前記電極触媒層に接合される下地層が設けられ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。
【請求項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、位置決め部は、前記拡散層の外周縁部に形成される孔部を有し、前記孔部に位置決めピンを挿入して前記拡散層を位置決め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。
【請求項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、前記分離部位は、少なくとも一方の前記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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、前記電極触媒層に拡散層が積層されるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周端面が少なくとも一方の前記拡散層の外周端面よりも外方に突出する燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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１７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。
【０００６】
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を解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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３０３６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、互いに大きさの異なる固体高分子電解質膜と拡散層とを、簡単な構成及び工程で、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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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拡散層が積層されるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周端面が少なくとも一方の前記拡散層の外周端面よりも外方に突出す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。
【００１３】
この電解質膜・電極構造体は、少なくとも一方の拡散層と固体高分子電解質膜とがホットプレスにより一体化された後、少なくとも一方の前記拡散層の外周端面には、外周縁部が、予め設けられた分離部位から切り離されることにより、分離面が形成されている。
【００１４】
また、分離部位は、少なくとも一方の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。
【００１５】
さらに、この製造方法は、一対の拡散層により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、前記固体高分子電解質膜と一対の前記拡散層とを一体化させる工程と、前記固体高分子電解質膜と一対の前記拡散層とが前記ホットプレスにより一体化された後、少なくとも一方の前記拡散層の外周縁部を、少なくとも一方の該拡散層に予め設けられた分離部位に沿って切り離す工程とを有している。
【００１６】
さらにまた、この製造方法は、一対の拡散層により固体高分子電解質膜を挟持して、積層体を得る工程と、前記積層体間にシート部材を介装して複数の前記積層体を同時にホットプレスすることにより、各積層体を構成する前記固体高分子電解質膜と一対の前記拡散層とを一体化させる工程と、前記固体高分子電解質膜と一対の前記拡散層とが前記ホットプレスにより一体化された後、少なくとも一方の前記拡散層の外周縁部を、少なくとも一方の該拡散層に予め設けられた分離部位に沿って切り離す工程とを有している。
【００１７】
また、拡散層には、電極触媒層に接合される下地層が設けられることが好ましい。
【００１８】
さらに、位置決め部は、拡散層の外周縁部に形成される孔部を有し、前記孔部に位置決めピンを挿入して前記拡散層を位置決めすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、拡散層の寸法を、予め製品寸法よりも大きな寸法に設定しておき、前記拡散層の外周縁部又は外周端面を位置決め部に設定することにより、前記位置決め部を基準にして前記拡散層の位置決めを行うことができる。次いで、拡散層が固体高分子電解質膜に一体化された後、前記拡散層の位置決め部を含む外周縁部を、該拡散層に予め設けられた分離部位に沿って切り離すことにより、所望の寸法を有する拡散層が得られる。
【００２０】
このため、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。従って、互いに大きさの異なる固体高分子電解質膜と拡散層とを、簡単な構成及び工程で、高精度に位置決めすることができ、高品質な電解質膜・電極構造体を確実且つ迅速に製造することが可能になる。
【００２１】
さらに、複数の積層体が、積層体間にシート部材を介装して同時にホットプレスされている。これにより、複数の電解質膜・電極構造体を効率的に製造することができ、前記電解質膜・電極構造体の製造時間を良好に短縮することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電解質膜・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。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】積層体をホットプレスする際の説明図である。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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の要部説明図である。
【図１３】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。
【図１４】他の位置決め部を説明するアノード側カーボンペーパ及び第１治具の斜視図である。
【図１５】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。
【図１６】前記アノード側カーボンペーパの、図１５中、ＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。
【図１７】特許文献１に開示されたＭＥＡの作製方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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２８ａ、２８ｂとを設ける。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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５０ａが切り離された分離面５２ａが形成される。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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に連通する排出孔部４８とが形成される。
【００３９】
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。
【００４０】
先ず、図４に示すように、アノード側カーボンペーパ５０が用意される。このアノード側カーボンペーパ５０は、ガス拡散層２８ａを構成するものであり、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５０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が塗布されている。
【００４１】
アノード側カーボンペーパ５０は、ガス拡散層２８ａの外径寸法に沿って分離部位５２を設けるとともに、前記ガス拡散層２８ａの外部領域に対応して複数、例えば、２つの位置決め用の孔部（位置決め部）５４ａ、５４ｂが形成される。分離部位５２は、例えば、アノード側カーボンペーパ５０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５０ａを分離部位５２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。
【００４２】
アノード側カーボンペーパ５０は、第１治具５６上に位置決め保持される。この第１治具５６には、孔部５４ａ、５４ｂに挿入される位置決めピン５８ａ、５８ｂが設けられる。第１治具５６は、アノード側カーボンペーパ５０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。
【００４３】
一方、図５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６０が用意され、このＰＥＭユニット６０が位置決めテーブル６２上に配置される。位置決めテーブル６２上では、ＰＥＭユニット６０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。
【００４４】
そして、位置決めされたＰＥＭユニット６０は、位置決めテーブル６２から第１治具５６に受けわたされる。このため、ＰＥＭユニット６０は、第１治具５６に吸着保持されているアノード側カーボンペーパ５０上に吸着保持される。
【００４５】
また、図６に示すように、カソード側カーボンペーパ６４が用意される。カソード側カーボンペーパ６４は、中央部に電極触媒層２４ｂに対応する領域にわたって撥水剤とカーボン粒子の混合物からなる下地層２６ｂが設けられている。カソード側カーボンペーパ６４の外周縁部６４ａには、位置決め用の孔部６６ａ、６６ｂが形成されるとともに、前記孔部６６ａ、６６ｂは、前記カソード側カーボンペーパ６４の製品形状を構成するトリミングライン６８の外方に配置される。
【００４６】
カソード側カーボンペーパ６４は、第２治具７０に設けられている位置決めピン７２ａ、７２ｂを孔部６６ａ、６６ｂに挿入させることにより、前記第２治具７０上に位置決めされる。第２治具７０には、カソード側カーボンペーパ６４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。
【００４７】
そこで、第１治具５６が第２治具７０に対応して位置決めされ、この第１治具５６に吸着されているＰＥＭユニット６０及びアノード側カーボンペーパ５０が、前記第２治具７０上に吸着されているカソード側カーボンペーパ６４上に積層される。このため、第２治具７０上には、カソード側カーボンペーパ６４、ＰＥＭユニット６０及びアノード側カーボンペーパ５０の順に積層される。
【００４８】
次いで、図７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７４が第３治具７６（なお、第１治具５６を用いてもよい）上に配置される。スペーサ部材７４は、外周側に厚肉部７４ａを有するとともに、中央部側に薄肉部７４ｂを有する。
【００４９】
薄肉部７４ｂ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７４ａは、幅寸法ｈにわたって額縁状に設けられる。厚肉部７４ａの厚さは、薄肉部７４ｂ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。
【００５０】
図７に示すように、厚肉部７４ａには、位置決め用の孔部７８ａ、７８ｂが形成される一方、第３治具７６には、前記孔部７８ａ、７８ｂに挿入される位置決めピン８０ａ、８０ｂが形成される。第３治具７６には、スペーサ部材７４を吸着するための吸着手段（図示せず）が設けられる。
【００５１】
第３治具７６に吸着保持されたスペーサ部材７４は、第２治具７０に対向して配置される。このスペーサ部材７４は、第３治具７６から第２治具７０のアノード側カーボンペーパ５０上に積層される（図８参照）。従って、第２治具７０上には、カソード側カーボンペーパ６４、ＰＥＭユニット６０、アノード側カーボンペーパ５０及びスペーサ部材７４が積層された積層体８２が得られる。
【００５２】
積層体８２は、第２治具７０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９に示すように、積層体８２の両側には、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８４、緩衝材シート体８６及びプレート８８が積層される。
【００５３】
これらは、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とにより、ＰＥＭユニット６０の両面に、アノード側カーボンペーパ５０とカソード側カーボンペーパ６４とが一体化される（図１０参照）。
【００５４】
次に、アノード側カーボンペーパ５０の外周縁部５０ａは、分離部位５２に沿って切り離される。これにより、図１１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５２ａが設けられる。この分離面５２ａ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。
【００５５】
次に、ＰＥＭユニット６０及びカソード側カーボンペーパ６４がトリミングライン６８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）。
【００５６】
この場合、第１の実施形態では、小寸法側のガス拡散層２８ａの寸法が、予め製品寸法よりも大きな寸法に設定されたアノード側カーボンペーパ５０が用意される。アノード側カーボンペーパ５０の外周縁部５０ａには、位置決め部として孔部５４ａ、５４ｂが形成されている。そして、第１治具５６の位置決めピン５８ａ、５８ｂが、孔部５４ａ、５４ｂに挿入されることにより、アノード側カーボンペーパ５０は、前記第１治具５６に対して位置決め保持されている。
【００５７】
一方、カソード側のガス拡散層２８ｂにおいても同様に、カソード側カーボンペーパ６４が用意されるとともに、このカソード側カーボンペーパ６４には、トリミングにより除去される外周縁部６４ａに、位置決め部として孔部６６ａ、６６ｂが形成されている。このため、第２治具７０に設けられている位置決めピン７２ａ、７２ｂが、孔部６６ａ、６６ｂに挿入されることにより、カソード側カーボンペーパ６４は、前記第２治具７０上に位置決め保持されている。
【００５８】
次いで、アノード側カーボンペーパ５０及びカソード側カーボンペーパ６４は、ＰＥＭユニット６０（固体高分子電解質膜１８）の両面に一体化されている。さらに、アノード側カーボンペーパ５０の孔部５４ａ、５４ｂを含む外周縁部５０ａは、分離部位５２に沿って切り離されることにより、所望の寸法を有するガス拡散層２８ａが得られている。
【００５９】
従って、ガス拡散層２８ａ、２８ｂを固体高分子電解質膜１８に対して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、互いに大きさの異なる固体高分子電解質膜１８とガス拡散層２８ａとを、簡単な構成及び工程で、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を確実且つ迅速に製造することが可能になるという効果が得られる。
【００６０】
また、上記のホットプレス時には、スペーサ部材７４が用いられている。このスペーサ部材７４は、厚肉部７４ａと薄肉部７４ｂとを有し、前記厚肉部７４ａの厚さは、電極触媒層２４ａ、２４ｂと下地層２６ａ、２６ｂとを加算した厚さに相当している。このため、ホットプレス時に、厚肉部７４ａは、固体高分子電解質膜１８の外周縁部（図３中、ガス拡散層２８ａの外周端面から外部に突出している外周縁部）をガス拡散層２８ｂに対して確実に接着させることができる。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法の要部説明図である。
【００６８】
この第２の実施形態では、複数の積層体８２を同時にホットプレスすることを特徴とする。具体的には、複数の積層体８２（図１２では、２枚であるが、３枚以上でもよい）は、位置決め部（孔部５６ａ、６６ａ、７８ａ及び５６ｂ、６６ｂ、７８ｂ）を基準にして、例えば、位置決めピン（図示せず）を通すことにより互いに位置決めされる。積層体８２間には、シート部材８４が介装される。
【００６９】
一方の積層体８２には、シート部材８４、緩衝材シート体８６及びプレート８８が積層されるとともに、他方の積層体８２には、緩衝材シート体８６及びプレート８８ｂが積層される。これらは、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。従って、各ＰＥＭユニット６０の両面には、アノード側カーボンペーパ５０とカソード側カーボンペーパ６４とが一体化される。
【００７０】
これにより、複数の電解質膜・電極構造体１０を効率的に製造することができ、前記電解質膜・電極構造体１０の製造時間を良好に短縮することが可能になるという効果が得られる。
【００７１】
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体９０の要部断面説明図である。
【００７２】
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。
【００７３】
電解質膜・電極構造体９０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９２が設けられる。アノード側電極２０及びカソード側電極９２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。
【００７４】
このように構成される電解質膜・電極構造体９０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９２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。
【００７５】
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５０に、位置決め部として孔部５４ａ、５４ｂが設けられる一方、前記孔部５４ａ、５４ｂに挿入される位置決めピン５８ａ、５８ｂを備えた第１治具５６が用いられている。
【００７６】
これに代えて、例えば、図１４に示すように、アノード側カーボンペーパ５０の外周端面５０ａａを位置決め部とし、前記外周端面５０ａａに接する複数本の位置決めピン９４を設ける第１治具９６を採用してもよい。
【００７７】
さらにまた、アノード側カーボンペーパ５０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５２を用いているが、これに限定されるものではない。
【００７８】
例えば、図１５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９８が設けられるとともに、この分離部位９８は、アノード側カーボンペーパ５０の厚さ方向に所定の深さを有している（図１６参照）。これにより、アノード側カーボンペーパ５０は、連続するスリットからなる分離部位９８に沿って、外周縁部５０ａを容易且つ確実に切り離すことができる。
【符号の説明】
【００７９】
１０、９０…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、９２…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        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、６４…カーボンペーパ                  ５０ａａ…外周端面
５２、９８…分離部位
５４ａ、５４ｂ、６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ…孔部
５８ａ、５８ｂ、７２ａ、７２ｂ、８０ａ、８０ｂ…位置決めピン
６０…ＰＥＭユニット                        ６８…トリミングライン
７４…スペーサ部材                          ８２…積層体
８４…シート部材                            ８６…緩衝材シート体
８８…プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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