(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面および第２の表面を有し、複数のインターコネクタと、前記複数のインターコネクタの間に設けられた複数のイオン伝導部材とを含む、複合層と、
前記第１の表面に設けられ、アノードを形成する第１の複数の電極被覆層と、
前記第２の表面に設けられ、カソードを形成する第２の複数の電極被覆層と、
を備え、
各第１の複数の電極被覆層および各第２の複数の電極被覆層は前記イオン伝導部材の一つとイオン接触し、前記インターコネクタの一つと電気的に接触し、
少なくとも一つのインターコネクタは、絶縁材料で構成され、レーザビームの透過を遮るように構成された、第１のガス不透過部および第２のガス不透過部と、
電気伝導性を有し、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の間に並んで配置された第３のガス不透過部と、
を含み、
前記複合層から延在する第１の電極被覆層が前記第１のガス不透過部を被覆するとともに前記第３のガス不透過部に接続するか、前記複合層から延在する第２の電極被覆層が前記第２のガス不透過部を被覆するとともに前記第３のガス不透過部に接続するか、前記複合層から延在する第１の電極被覆層が前記第１のガス不透過部を、前記複合層から延在する第２の電極被覆層が前記第２のガス不透過部を、それぞれ被覆するとともに前記第１の電極被覆層及び前記第２の電極被覆層が前記第３のガス不透過部に接続し、
前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部は、それぞれ前記イオン伝導部材の一つと接触し、
前記インターコネクタがある燃料電池のアノードを隣接する燃料電池のカソードに電気的に接続させ、
第１のガス不透過部と第２のガス不透過部とが触媒層の加工に用いられるレーザビームの透過を妨げることを特徴とする燃料電池層。
【請求項２】
前記複合層から延在する第２の電極被覆層が、前記第３のガス不透過部に接続している請求項１に記載の燃料電池層。
【請求項３】
前記複数のイオン伝導部材が一体的に形成されており、
前記インターコネクタはイオン伝導部材に設けられた貫通孔を介して前記第１の電極被覆層および前記第２の電極被覆層とを電気的に接続する請求項１に記載の燃料電池層。
【請求項４】
前記第３のガス不透過部を含むインターコネクタが膜電極接合体と他の膜電極接合体との間に延在し、
前記膜電極接合体の電解質膜と前記他の膜電極接合体の電解質膜とが前記インターコネクタにより分断されている請求項１に記載の燃料電池層。
【請求項５】
前記第１および第２のガス不透過部が、複数の材料により構成され、少なくとも１つの材料が顔料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池層。
【請求項６】
前記顔料は、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の材料特性を変えて、レーザビームの透過量を減少またはレーザビームの吸収量を増加させる、またはこの両者を行う請求項５に記載の燃料電池層。
【請求項７】
前記第１および第２のガス不透過部が、複数の材料により構成され、少なくとも１つの材料が金属酸化物の粒子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池層。
【請求項８】
前記金属酸化物の粒子は、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の材料特性を変えて、レーザビームの透過量を減少またはレーザビームの吸収量を増加させる、またはこの両者を行う請求項７に記載の燃料電池層。
【請求項９】
前記第１および第２のガス不透過部が、ガラス繊維を織った布にエポキシ樹脂を含侵して形成され、
前記ガラス繊維が前記イオン伝導部材の表面に対して、９０度未満の角度で配置されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池層。
【請求項１０】
第１の表面および第２の表面を有し、複数のインターコネクタと、前記複数のインターコネクタの間に設けられた複数のイオン伝導部材とを含む、複合層を形成する工程と、
前記第１の表面に第１の複数の電極被覆層を設けて、アノードを形成する工程と、
前記第２の表面に第２の複数の電極被覆層を設けて、カソードを形成する工程と、
を備え、
各第１の複数の電極被覆層および各第２の複数の電極被覆層は前記イオン伝導部材の一つとイオン接触し、前記インターコネクタの一つと電気的に接触し、
少なくとも一つのインターコネクタは、絶縁材料で構成され、レーザビームの透過を遮るように構成された、第１のガス不透過部および第２のガス不透過部と、
電気伝導性を有し、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部と同一平面上に並んで配置され、且つ前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の間に配置された第３のガス不透過部と、
を含み、
前記インターコネクタが燃料電池のアノードと隣接する燃料電池のカソードとを電気的に接続し、
前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部に沿って前記電極被覆層の一部をレーザビームを用いて選択的に除去し、隣接する燃料電池間を電気的に絶縁することによって、前記複合層から延在する第１の電極被覆層によって前記第１のガス不透過部を被覆するとともに前記第１の電極被覆層を前記第３のガス不透過部と接続させるか、前記複合層から延在する第２の電極被覆層によって前記第２のガス不透過部を被覆するとともに前記第２の電極被覆層を前記第３のガス不透過部と接続させるか、前記複合層から延在する第１の電極被覆層によって前記第１のガス不透過部を、前記複合層から延在する第２の電極被覆層によって前記第２のガス不透過部を、それぞれ被覆するとともに前記第１の電極被覆層及び前記第２の電極被覆層を前記第３のガス不透過部に接続させる工程をさらに備え、
触媒層の加工に用いられるレーザービームの透過に関して、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の透過率が第１のおよび第２の複数の電極被覆層の透過率より小さいことを特徴とする燃料電池層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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変換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。
【０００３】
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、デジタルカメラあるいは電子辞書、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
平面配列型の燃料電池では、電力は電極の総面積に依存する。一方、電圧については、直列に接続されるセルの数に依存する。このため、燃料電池の小型化を図るとともに、必要な電力および電圧を得るためには、限られた面積内で直列接続をするセルの数を増やすことが必要となり、セルの面積を小さくするとともに、隣接するセルの間隔をより短くするセルの微細化が必要となる。
【０００５】
セルのピッチは、集電端部からの抵抗損失を減らすために、より小さいことが望ましい。一般に、燃料電池の数を増やすと抵抗損失が減るが、隣接するセル間のインターコネクタの上方に空間があるため、平面配列された燃料電池の全有効面積が減少する。本発明の目的は、平面配列型の燃料電池において、燃料電池用のインターコネクタ領域の面積を小さくすることに役立つ設計および方法を提供することにある。
【０００６】
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、セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、ガスリークを抑制しつつ、セルの間隔を狭めて微細化を図ることのできる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、燃料電池層である。第１の表面および第２の表面を有し、複数のインターコネクタと、前記複数のインターコネクタの間に設けられた複数のイオン伝導部材とを含む、複合層と、前記第１の表面に設けられ、アノードを形成する第１の複数の電極被覆層と、前記第２の表面に設けられ、カソードを形成する第２の複数の電極被覆層と、を備え、各第１の複数の電極被覆層および各第２の複数の電極被覆層は前記イオン伝導部材の一つとイオン接触し、前記インターコネクタの一つと電気的に接触し、少なくとも一つのインターコネクタは、絶縁材料で構成され、レーザビームの透過を遮るように構成された、第１のガス不透過部および第２のガス不透過部と、電気伝導性を有し、２つの表面および当該２つの表面に平行な長さを有し、当該２つの表面の一つが前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の前記第２の表面に近接している第３のガス不透過部と、を含み、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部は、それぞれ、第１の表面および第２の表面を有し、第１の表面は前記イオン伝導部材の一つと接触し、  前記インターコネクタおよび前記第３のガス不透過部がある燃料電池のアノードを隣接する燃料電池のカソードに電気的に接続させ、第１のガス不透過部と第２のガス不透過部とが触媒層の加工に用いられるレーザビームの透過を妨げることを特徴とする。
【０００８】
上記態様の燃料電池層において、前記複合層から延在する第１の電極が、前記第１のガス不透過部を被覆し、かつ前記第３のガス不透過部に接続していてもよい。前記複合層から延在する第２の電極が、前記第３のガス不透過部に接続していてもよい。前記第１の電極と前記第２の電極が一体的に形成されており、前記インターコネクタは前記第１の複数の電極被覆層および前記第２の複数の電極被覆層に設けられた貫通孔を介して前記第１の電極および前記第２の電極とを電気的に接続してもよい。前記第３のガス不透過部を含むインターコネクタが膜電極接合体と他の膜電極接合体との間に延在し、前記膜電極接合体の電解質膜と前記他の膜電極接合体の電解質膜とが前記インターコネクタにより分断されていてもよい。少なくとも１つのインターコネクタは、第１または第２の複数の電極と外部回路との電気的な伝導経路を提供し、前記経路は３番目のガス不浸透性の領域の長さに沿って伸びる経路であってもよい。前記第１および第２のガス不透過部が、複数の材料により構成され、少なくとも１つの材料が顔料を含んでもよい。前記顔料は、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の材料特性を変えて、レーザビームの透過量を減少またはレーザビームの吸収量を増加させる、またはこの両者を行ってもよい。前記第１および第２のガス不透過部が、複数の材料により構成され、少なくとも１つの材料が金属酸化物の粒子を含んでもよい。前記金属酸化物の粒子は、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の材料特性を変えて、レーザビームの透過量を減少またはレーザビームの吸収量を増加させる、またはこの両者を行ってもよい。前記第１および第２のガス不透過部が、ガラス繊維を織った布にエポキシ樹脂を含侵して形成され、前記ガラス繊維が電解質膜の第1主面に対して、９０度未満の角度で配置されてもよい。
【０００９】
本発明の他の態様は、燃料電池層の製造方法である。当該燃料電池層の製造方法は、第１の表面および第２の表面を有し、複数のインターコネクタと、前記複数のインターコネクタの間に設けられた複数のイオン伝導部材とを含む、複合層を形成する工程と、前記第１の表面に第１の複数の電極被覆層を設けて、アノードを形成する工程と、前記第２の表面に第２の複数の電極被覆層を設けて、カソードを形成する工程と、を備え、各第１の複数の電極被覆層および各第２の複数の電極被覆層は前記イオン伝導部材の一つとイオン接触し、前記インターコネクタの一つと電気的に接触し、少なくとも一つのインターコネクタは、絶縁材料で構成され、レーザビームの透過を遮るように構成された、第１のガス不透過部および第２のガス不透過部と、電気伝導性を有し、２つの表面および当該２つの表面に平行な長さを有し、当該２つの表面の一つが前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の前記第２の表面に近接している第３のガス不透過部と、を含み、前記インターコネクタおよび前記第３のガス不透過部が燃料電池のアノードと隣接する値料電池のカソードとを電気的に接続し、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部に沿って前記電極被覆層の一部をレーザビームを用いて選択的に除去し、隣接する燃料電池間を電気的に絶縁する工程をさらに備え、触媒層の加工に用いられるレーザービームの透過に関して、前記第１のガス不透過部および前記第２のガス不透過部の透過率が第１のおよび第２の複数の電極被覆層の透過率より小さいことを特徴とする。
【００１０】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、ガスリークを抑制しつつ、セルの間隔を狭めて微細化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
実施の形態が、図面を参照してあくまで例として説明される。なお、図面は例示でありこれに制限されない。
【図１】実施の形態１に係る燃料電池の構造を示す分解斜視図である。
【図２】図１の部品を組み合わせた状態でのＡ−Ａ線に沿った燃料電池の断面図である。
【図３】基材および電解質膜の形態を示す斜視図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】変形例に係る複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図７】変形例の複合材を示す拡大斜視図である。
【図８】変形例に係る複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図９】変形例に係る複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図１０】実施の形態２に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【図１１】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。
【図１２】実施の形態３の燃料電池の電解質膜およびインターコネクタをカソード側からみた平面図を示す。
【図１３】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。
【図１４】実施の形態４に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【図１５】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。
【図１６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書を通して、本発明に対する理解をより完全にするために特定の形態が説明される。しかし、本発明は、これらの特定の形態以外でも実施可能である。他の例では、本発明を不必要にあいまいにすることを避けるため、周知の要素は、詳細に図示または説明されていない。図面により、本発明が実施される特定の実施の形態を図示される。これらの実施の形態は組み合わせることができ、他の要素が利用され、構造的または論理的な変更が本発明の範囲を逸脱しない範囲で可能である。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく、例示的であるとみなすべきである。
【００１４】
本明細書で参照される全ての出版物、特許および特許文献は参照により個々に組み込まれるかのように、参照によりその全てが組み込まれる。本明細書とこれらの文献との間の使用法が一致しない場合には、組み込まれた文献の使用法は、本明細書の使用法を補足するとみなされる。相容れない不一致に関しては、本発明の使用法が優先する。
【００１５】
本明細書において、「または」という用語は、非制限的に、または、「Ａ、ＢまたはＣ」が特に指示がない限り、「Ａのみ」、「Ｂのみ」、「Ｃのみ」、「ＡおよびＢ」、「ＢおよびＣ」、「ＡおよびＣ」、「Ａ、ＢおよびＣ」を含むように用いられる。「上方に」および「下方に」という用語は、構成の中心に関して２つの異なる方向を示すために用いられる。「より上の」および「より下の」という用語は、構成の２つの異なる表面を記述するために用いられる。しかし、これらの用語は、単に説明を容易にするために用いられ、記述された実施の形態の燃料電池層の方向を固定するものではないと理解されるべきである。各実施の形態および請求項において、「第１の」、「第２の」および「第３の」等の用語は、単にラベルとして用いられ、これらの目的物に数字を要件と課すことを意図しない。本明細書で明確に開示された数値範囲は、たとえ、明確に開示された範囲の部分集合の範囲が明確に開示されているとしても、明確に開示された範囲のいかなる部分集合も含む。たとえば、１−１００、または１以上１００以下、は、１−８０、２−７６または１から１００の間にある他のいかなる数値範囲も含む。
【００１６】
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。
【００１７】
本発明の方法に従って複合層としてしようされうる燃料電池層などの電気化学セルを含む複合層構造の複数の例は、ＰＣＴ出願：PCT/CA/09/00253として２００９年２月２７日に出願された、「電気化学セルおよびこれに関連する膜」というタイトルの米国特許出願公開番号2011/0003229に記述されている。当該文献は参照によりその全てが本明細書に組み込まれる。さらに、燃料電池層の例は、米国特許出願番号11/047560として２００５年２月２日に出願された、「電気化学反応層の下にある電流通過構造を有する電流電気化学セル」というタイトルの米国特許出願公開番号2005/0250004、２０１０年１２月２３日に出願された、「燃料電池、非対称な構造を有する燃料電池部材、およびその使用法」というタイトルのＰＣＴ国際出願公開番号WO 2011/079377、および、２００８年１２月２２日に出願された、「不連続領域を含む電気化学セル組み立て部品」というタイトルの米国特許公開番号2009/0162722に開示されている。これらの文献の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。燃料電池層の例は、以下の実施の形態で説明されるが、参照により組み込まれるいかなる特許文献に記載された燃料電池および燃料電池層を用いて本発明が実施されうることを理解されたい。明確にするために、比較的少ない数の燃料電池の部材を配置したものを含む燃料電池層の種々の形態が図面に示される。しかし、本発明の方法は、より多くの数の燃料電池の部品を有する燃料電池層に適用されうる。
【００１８】
平面配列型の燃料電池のサイズを小さくするために、セル間の間隔が狭められる。たとえば、レーザ加工を用いた手法が当該間隔を狭める方法として知られている。この手法では、通常の膜電極接合体の触媒層がレーザビームを用いて部分的に除去され、平面配列型の燃料電池が製造される。
【００１９】
本発明が解決する課題は、ある平面配列型の燃料電池の構成において、可能な限り燃料電池の充填密度を維持しつつ、隣接する燃料電池を分離するために、非常に狭い不連続領域を燃料電池層の表面に形成しなければいけないことである。レーザビームは、非常に狭いギャップっを形成するために有効に用いられてきたが、レーザビームは、燃料電池層を透過し、加工中の側とは反対側のセルの側にある電極を溶かしてしまう傾向を有しうる。この望ましくない透過による効果により、平面配列型の燃料電池の触媒層に望ましくない不連続領域が形成される。本発明の目的は、ギャップとは反対側の触媒層にける不連続の度合い、およびレーザ溶融による水素リークの頻度を低減することができる、改良された構造およびギャップ形成の方法を提供することにある。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池の構造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、膜電極接合体（ＭＥＡ、触媒塗布プロトン交換膜（ＣＣＭ）ともいう）２０が組み込まれた複合膜１２、アノード用ハウジング４０およびカソード用ハウジング４２を備える。また、複合膜１２の周縁部に後述する封止部材５０が設けられている。
【００２１】
複合膜１２は、基材１４、複数の膜電極接合体２０および隣接する膜電極接合体２０を電気的に接続するために必要な部材を含む。
【００２２】
基材１４は、エポキシ樹脂やポリアクリレートなどの一般的なポリマーなどの絶縁性の材料により形成されている。基材１４には、膜電極接合体２０と同数の開口部１６が設けられている。
【００２３】
各膜電極接合体２０は、電解質膜２２、電解質膜２２の一方の面に設けられたアノード触媒層（第１の電極）２４、電解質膜２２の他方の面に設けられたカソード触媒層（第１の電極の対向電極である第２の電極）２６を備える。膜電極接合体２０は、基材１４に設けられた開口部１６に対応して設けられている。アノード触媒層２４には、燃料ガスとして水素が供給される。一方、カソード触媒層２６には酸化剤として空気が供給される。一対のアノード触媒層２４とカソード触媒層２６との間に電解質膜２２が狭持されることによりセルが構成され、各セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００２４】
このように、本実施の形態の燃料電池では、アノード触媒層２４にカソード触媒層２６が対となり、複数のセルが平面状に形成されている。
【００２５】
以下、隣接する２つの膜電極接合体２０の一方を膜電極接合体２０ａとし、他方を膜電極接合体２０ｂとして、隣接する２つの膜電極接合体２０の間の電気接続構造および膜電極接合体２０の形態の説明を行う。
【００２６】
インターコネクタ１８は、隣接する膜電極接合体２０の間において、基材１４および電解質膜２２を貫通して設けられている。膜電極接合体２０ａの電解質膜２２に被覆されたアノード触媒層２４ａは、インターコネクタ１８の方へ延在して設けられており、インターコネクタ１８と一方のセルの電解質膜２２との間の基材１４を被覆し、インターコネクタ１８に接続されている。また、隣接するセルにおいて、他方のセルの電解質膜２２に被覆されたカソード触媒層２６は、インターコネクタ１８の方へ延在して設けられており、インターコネクタ１８と他方のセルの電解質膜２２との間の基材１４を被覆し、インターコネクタ１８に接続されている。インターコネクタ１８は導電性の材料で形成され、たとえば、カーボンなどが用いられる。以上の構成により、隣接するセル同士はインターコネクタ１８により直列接続されている。
【００２７】
電解質膜２２は、湿潤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、アノード触媒層２４とカソード触媒層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）１１２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。
【００２８】
アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６は、イオン交換樹脂ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。
【００２９】
アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜２２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。このイオン交換樹脂は、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、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。
【００３０】
図３は、基材１４および電解質膜２２の形態を示す斜視図である。本実施の形態では、基材１４に形成された貫通孔１１２および電解質膜２２に形成された貫通孔１１０の開口形状は円形状であるが、貫通孔１１０の開口形状はこれに限られず、楕円状や矩形状であってもよい。貫通孔１１０の開口形状が楕円状や矩形状である場合には、長辺方向や長軸方向を隣接する膜電極接合体２０の対向辺に沿った方向とすることが好ましい。これによれば、隣接する膜電極接合体２０の間に生じる無駄なスペースを低減し、発電有効面積を増加させることができる。
【００３１】
基材１４は、絶縁性およびガス不透過性を有する材料で形成されており、隣接する膜電極接合体２０のアノード触媒層２４間を絶縁する機能を担う。基材１４の材料としては、エポキシ樹脂やポリアクリレートなどの一般的なポリマー絶縁層、ファイバー強化されたエポキシ樹脂やポリアクリレートなどの一般的なポリマー絶縁層、レーザ光線吸収する添加剤を添加したエポキシ樹脂やポリアクリレートなどの一般的なポリマー絶縁層が挙げられる。
【００３２】
図２に戻り、隣接する膜電極接合体２０の間の領域において、基材１４は、第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２を有する。
【００３３】
第１のガス不透過部１００は、膜電極接合体２０ａのカソード触媒層２６ａと膜電極接合体２０ｂのカソード触媒層２６ｂとの隙間に対応して、膜電極接合体２０ａから延在する電解質膜２２ａのアノード側の主面に接して設けられている。
【００３４】
第２のガス不透過部１０２は、膜電極接合体２０ａのアノード触媒層２４ａと膜電極接合体２０ｂのアノード触媒層２４ｂとの間の隙間において露出し、膜電極接合体２０ｂから延在する電解質膜２２ｂのアノード側の主面に接して設けられている。
【００３５】
第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２は、触媒層の加工に用いられるレーザビームの透過を妨げるように構成される。後述する複合膜の作製方法で説明するように、アノード触媒層２４やカソード触媒層２６の加工の際にレーザビームを照射する場合に、レーザビームを第１のガス不透過部１００や第２のガス不透過部１０２を透過しないようにする。この結果、加工されるべき触媒層とは反対側の触媒層にレーザ溶融が生じることを抑制することができる。
【００３６】
より具体的には、第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２は、触媒加工用のレーザ光を吸収する添加剤が加えられたエポキシ樹脂または一般的なポリマー樹脂からなる絶縁層で構成される。当該絶縁層はファイバー強化されていてもよい。添加剤は、レーザ加工によって加工されるべき触媒層とは反対側の触媒層にレーザ溶融が生じることを抑制するために２つのメカニズムを有する。第１に、添加剤によりレーザビームが散乱され、レーザビームの透過が低減される。第２に、レーザビームの波長と同調する吸収バンドに応じて添加剤を選択することにより、添加剤がレーザビームを吸収することで、レーザの透過が抑制され、ひいてはレーザ加工によって加工されるべき触媒層とは反対側の触媒層にレーザ溶融が生じることを低減することができる。たとえば、もともと赤い酸化鉄はグリーンレーザビームを非常によく吸収する。酸化チタンは、ＵＶレーザビームを非常によく吸収する。レーザビームを散乱させる能力だけでなく、使用される特定のレーザビームの波長を吸収する能力に基づいて添加剤を選択することが望ましい。第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２に含まれる添加剤の量は当該部分の全質量を基準として、１０質量％以内の範囲が好ましい。添加剤として用いられる金属酸化物材料としては、酸化第二鉄（９９．５％、３２５メッシュ、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社製）、酸化チタン（ルチル型、９９．５％、１〜２μｍ粉末、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社製）、酸化亜鉛（ナノガード、４００〜１００ｎｍ粉末、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社製）、酸化亜鉛（ＡＣＳ等級、３２５メッシュ、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社製）などが挙げられる。
【００３７】
この他、第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２は、ファイバー強化されたエポキシ樹脂または一般的なポリマー樹脂からなる絶縁層で形成される。より具体的には、第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２はガラス繊維を織った布にエポキシ樹脂を含侵して形成される。この場合、絶縁層中のファイバーは、レーザビームの透過を防ぐように配向されうる。たとえば、ファイバーの織布を用いた形態では、ファイバーが光透過材として働くことを防ぐために、ファイバーの配向がレーザビームの方向に向かないようにすることが好ましい。たとえば、触媒層の加工に用いられるレーザビームに対して、ファイバーが４５°の角度に配向することにより、レーザの透過量を顕著に低減することができる。また、ファイバー強化されたエポキシ樹脂または一般的なポリマー樹脂からなる絶縁層は、不織布系の繊維材料またはランダム配向した短繊維で形成されてもよい。
【００３８】
インターコネクタ１８は、膜電極接合体２０ａのアノード触媒層２４ａと、膜電極接合体２０ｂのカソード触媒層２６ｂとを電気的に接続する機能を担う。
【００３９】
インターコネクタ１８は、第３のガス不透過部１０４および導電部１０６を含む。
第３のガス不透過部１０４は、第１のガス不透過部１００と第２のガス不透過部１０２との間に設けられ、かつ、第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２と同層である。本実施の形態では、第３のガス不透過部１０４は基材１４に設けられた貫通孔１１２を充填している。インターコネクタ１８の第３のガス不透過部１０４は、導電性およびガス不透過性を有する材料で形成されている。第３のガス不透過部１０４の材料としては、カーボンＦＲＰ、樹脂含侵した膨張黒鉛やグラファイト、貴金属などが挙げられる。
【００４０】
導電部１０６は、隣接する膜電極接合体２０の間において、電解質膜２２を貫通するように形成されている。導電部１０６は、アノード側では上述した第３のガス不透過部１０４と接し、カソード側ではカソード触媒層２６ｂと接続している。本実施の形態では、導電部１０６とカソード触媒層２６ｂとが一体的に形成されており、カソード触媒層２６ｂの一部が導電部１０６を兼ねている。なお、導電部１０６はカソード触媒層２６ｂと異なる材料で形成されていてもよい。
【００４１】
アノード触媒層２４ａは膜電極接合体２０ａから膜電極接合体２０ｂの方へ延在する領域Ａを有する。領域Ａは、第１のガス不透過部１００を被覆し、かつ第３のガス不透過部１０４の表面に位置しており、領域Ａと第３のガス不透過部１０４とが電気的に接続している。
【００４２】
本実施の形態では、膜電極接合体２０ａの電解質膜２２と膜電極接合体２０ｂの電解質膜２２が一体的に形成されている。膜電極接合体２０ａと膜電極接合体２０ｂとの間の領域において、電解質膜２２に貫通孔１１０が設けられている。カソード触媒層２６ｂは膜電極接合体２０ｂから膜電極接合体２０ａの方へ延在する領域Ｂを有する。カソード触媒層２６ｂの領域Ｂは、電解質膜２２に設けられた貫通孔１１０を貫通し、第３のガス不透過部１０４に電気的および物理的に接続している。これにより、膜電極接合体２０ａのアノード触媒層２４ａと膜電極接合体２０ｂのカソード触媒層２６ｂとが電気的に接続されている。
【００４３】
第３のガス不透過部１０４は、第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２と同様にカス不透過性を備えており、膜電極接合体２０ａと膜電極接合体２０ｂとの間の領域が、第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２および第３のガス不透過部１０４からなるガス不透過部によって占められている。
【００４４】
アノード用ハウジング４０により、燃料貯蔵用の燃料貯蔵部３７が形成されている。なお、アノード用ハウジング４０に燃料供給口（図示せず）を設置することにより、燃料カートリッジなどから燃料を適宜補充可能である。
【００４５】
一方、カソード用ハウジング４２には、外部から空気を取り込むための空気取入口４４が設けられている。
【００４６】
アノード用ハウジング４０とカソード用ハウジング４２とは、複合膜１２の周縁部に設けられた封止部材５０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る。これにより、封止部材５０に圧力が加えられ、封止部材５０によるシール性が高められる。このような締結部材は、燃料電池および筐体の構造および配置に応じて選択される。
【００４７】
気液分離部４９は、空気取入口４４が設けられたカソード用ハウジング４２の面とカソード触媒層２６との間に設けられている。気液分離部４９は、たとえばテフロン（登録商標）で形成される。空気取入口４４から取り込まれた空気は気液分離部４９を通過してカソード触媒層２６に流入する。カソード触媒層２６で生成した水が気化することで生成した水蒸気は、気液分離部４９を通過し空気取入口４４から外部に排出される。一方、気液分離部４９の外部で水蒸気が結露することで生成した凝縮水は気液分離部４９を通過できない。これにより、カソード触媒層２６における水分量が過剰になること、いわゆるフラッディングが抑制される。
【００４８】
以上説明した燃料電池１０では、隣接する膜電極接合体２０を電気的に接続するインターコネクタの一部をガス不透過性を有する第３のガス不透過部１０４とし、第３のガス不透過部１０４に連結した第１のガス不透過部１００と第２のガス不透過部１０２を含む基材１４により、隣接する膜電極接合体２０の間が塞がれている。これにより、インターコネクタ形成領域となる隣接する膜電極接合体２０の間においてガスリークが生じることが抑制される。
【００４９】
さらに、第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２および第３のガス不透過部１０４により、隣接する膜電極接合体２０の間においてガスリークが生じることが抑制されているため、インターコネクタを構成する導電部をガス透過性を有する触媒層自体とすることが可能となる。この結果、隣接する膜電極接合体２０の間隔を狭めることができ、平面配列型の燃料電池の高集積化を図ることができる。
【００５０】
なお、本明細書において、「燃料電池層」は、互いに近接して配置された１以上の燃料電池を含む。
【００５１】
（複合膜の作製方法）
実施の形態１に係る燃料電池１０に用いられる複合膜１２の作製方法について、図４乃至図５を参照して説明する。図４乃至図５は、実施の形態１に係る複合膜１２を作製する方法を示す工程図である。なお、図４乃至図５において、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。
【００５２】
平面配列型の燃料電池は異なる波長の２つのレーザビームを用いて加工が行われる。第１の波長は、電解質材料を除去することができ、電解質層に貫通孔を形成し、電気的なインターコネクタを形成するために用いられる。第２の波長は、触媒層を選択的に除去するために用いられる。ただし、この波長は、電解質層を貫通せず、電解質層を加工しない。
【００５３】
まず、図４（Ａ）に示すように、複数の膜電極接合体を併設可能な形状および面積を有する電解質膜２２を用意する。
【００５４】
次に、図４（Ｂ）に示すように、電解質膜２２の上に基材１４を載置し、熱圧着により接着する。接着性およびガスシール性能を向上させるために、Ｎａｆｉｏｎ分散液（ＤｕＰｏｎｔ  Ｄ２０２０）が接着剤として電解質膜２２と基材１４との間に用いられてもよい。基材１４には、膜電極接合体形成領域に対応する開口部１６を設けておく。また、隣接する開口部１６の間に位置する領域には貫通孔１１２が所定の間隔で形成されている。この貫通孔１１２に、第３のガス不透過部１０４が充填されている。基材１４を電解質膜２２の上に載置する前に貫通孔１１２に第３のガス不透過部１０４を予め充填してもよく、基材１４を電解質膜２２の上に載置した後に貫通孔１１２に第３のガス不透過部１０４を充填してもよい。本実施の形態では、基材１４が設けられた電解質膜２２の面がアノード側であり、基材１４が設けられた側とは反対側の電解質膜２２の面がカソード側である。なお、図４（Ｂ）（ｉｉ）に示すように、第３のガス不透過部１０４を挟む基材１４の領域が第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２である。基材１４の一部をなす「第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２」は、触媒層の加工に用いられる第２の波長のレーザが貫通しないような材料で構成される。
【００５５】
次に、図５（Ａ）に示すように、カソード側から電解質膜２２の所定位置にレーザを照射する。この所定領域は、第３のガス不透過部１０４が形成された領域に対応しており、レーザ照射により所定領域の電解質膜２２が選択的に除去されると、電解質膜２２に貫通孔１１０が形成されるとともに、カソード側に第３のガス不透過部１０４が露出する。この工程で用いるレーザビームの波長は、電解質膜２２を加工できる範囲、たとえば１０６４−１０６００ｎｍである。
【００５６】
次に、図５（Ｂ）に示すように、電解質膜２２の周縁部分を残し、電解質膜２２のアノード側およびカソード側の全体にそれぞれ触媒スラリーを塗布し、触媒層８０および触媒層８２を形成する。
【００５７】
次に、図５（Ｃ）に示すように、電解質膜２２のアノード側に塗布された触媒層をレーザ照射により選択的に除去してアノード触媒層２４を形成するとともに、第２のガス不透過部１０２を露出させる。一方、電解質膜２２のカソード側に塗布された触媒層をレーザ照射により選択的に除去してカソード触媒層２６を形成するとともに、第１のガス不透過部１００に接触している領域の電解質膜２２を露出させる。言い換えると、電解質膜２２を挟んで第１のガス不透過部１００と対応している領域の触媒層８２にレーザ照射を行い、触媒層８２を選択的に除去する。電解質膜２２を透過したレーザビームは第１のガス不透過部１００で遮断されるため、触媒層８０にダメージが生じることが抑制される。ここでの工程で用いるレーザの波長は、触媒層（電極）８２を加工可能で、かつ、電解質膜２２を透過する範囲、たとえば１８０−５５０ｎｍである。このように、この工程で用いられるレーザの波長は、図５（Ａ）に示した工程で用いられるレーザの波長と異なる。
【００５８】
以上の製造工程により、実施の形態１に係る膜電極接合体が組み込まれた複合膜１２が簡便に作製される。
【００５９】
以下では、複合膜の作製方法の変形例を説明する。図６、図８および図９は、変形例に係る複合膜を作製する方法を示す工程図である。図８乃至図９において、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。
【００６０】
平面配列型の燃料電池は異なる波長の２つのレーザビームを用いて加工が行われる。第１の波長は、電解質材料を除去することができ、電解質層に貫通孔を形成し、電気的なインターコネクタを形成するために用いられる。第２の波長は、触媒層を選択的に除去するために用いられる。ただし、この波長は、電解質層を貫通せず、電解質層を加工しない。
【００６１】
図６（Ａ）に示すように、カーボンＦＲＰなどガス不透過性と導電性を具備する材料で形成された導電シート４００と、縦繊維と横繊維からなるガラス繊維を縦繊維と横繊維とが直交するように編み込んだ部材にエポキシ樹脂を含浸させて得られた樹脂シート４１０を複数枚用意する。導電シート４００の両主表面にそれぞれ複数の樹脂シート４１０を積層した後、樹脂シート４１０を加熱して硬化させる。
【００６２】
次に、図６（Ｂ）に示すように、導電シート４００と樹脂シート４１０からなる積層体４２０を短冊状に切断した後、洗浄して複合材４３０を得る。
【００６３】
ここで、導電シート４００は、図４（Ｂ）に示すように、第３のガス不透過部１０４に対応する。また、導電シート４００の一方の側に積層された樹脂シート４１０は、第１のガス不透過部１００に対応する。図４（Ｂ）に示すように、導電シート４００の他方の側に積層された樹脂シート４１０は、第２のガス不透過部１０２に対応する。
【００６４】
第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２は、触媒層の加工に用いられるレーザビームが透過することを妨げるように構成される。この方法および構造を実施することにより、レーザビームがアノード触媒層２４およびカソード触媒層２６を加工するために照射されるとき、当該レーザビームが第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２を貫通しないように制御される。
【００６５】
絶縁層中の繊維は、レーザビームが透過することを妨げるように配向される。たとえば、ガラス繊維布が用いられる場合には、ガラス繊維の方向は、ガラス繊維が光透過材料として機能しないようにレーザビームの方向を向かないことが望ましい。たとえば、レーザ透過量が十分に減少するように、ガラス繊維は触媒層の加工に用いられるレーザビームに対して４５°の角度をなす。さらに、絶縁層は、触媒層の加工に用いられるレーザビームを吸収する添加剤が加えられたエポキシ樹脂で構成されてもよい。
【００６６】
図６（Ｃ）は、複合材４３０の拡大斜視図である。導電シート４００および樹脂シート４１０からなる積層構造が露出する複合材４３０の切断面の法線（上述した、加工用レーザビームの方向）に対して、樹脂シート４１０中のガラス繊維の縦繊維および横繊維はともに４５°の方向を向いている。
【００６７】
なお、上述した変形例では、樹脂シート４１０中のガラス繊維の縦繊維および横繊維の方向は、上記法線に対して４５°の角度をなしているが、樹脂シート４１０を作製する際に、樹脂シート４１０の辺に対するガラス繊維の方向を変えることで、積層体中のガラス繊維の縦繊維および横繊維の方向を所望の方向に向けることができる。図７は、樹脂シート４１０中のガラス繊維の縦繊維の方向を切断面の法線と平行とし、横繊維の方向を切断面の法線に対して９０°とした形態を示す。
【００６８】
次に、図８（Ａ）に示すように、複数の膜電極接合体を併設可能な形状および面積を有する電解質膜２２を用意する。
【００６９】
次に、図８（Ｂ）に示すように、隣接する膜電極接合体の形成領域を分断するように短冊状の複合材（集電体）４２０を電解質膜２２の上に固定する。また、電解質膜２２の長手方向の端部に沿って短冊状の複合材（集電体）４２０を設置し、熱圧着により接着する。接着性およびガスシール性能を向上させるために、Ｎａｆｉｏｎ分散液（ＤｕＰｏｎｔ  Ｄ２０２０）が接着剤として電解質膜２２と基材１４との間に用いられてもよい。
【００７０】
次に、図９（Ａ）に示すように、電解質膜２２のカソード側からレーザビームを照射して、導電シート４００と重なる部分の電解質膜２２に複数の貫通孔を形成する。この工程で用いるレーザビームの波長は、電解質膜２２を加工できる範囲、たとえば１０６４−１０６００ｎｍである。
【００７１】
図９（Ｂ）に示すように、電解質膜２２の周縁部分を残し、電解質膜２２のアノード側およびカソード側の全体にそれぞれ触媒スラリーを塗布し、触媒層８０および触媒層８２を形成する。
【００７２】
次に、図９（Ｃ）に示すように、電解質膜２２のアノード側に塗布された触媒層をレーザ照射により選択的に除去してアノード触媒層２４を形成するとともに、第２のガス不透過部１０２に相当する樹脂シート４１０を露出させる。一方、電解質膜２２のカソード側に塗布された触媒層をレーザ照射により選択的に除去してカソード触媒層２６を形成するとともに、第１のガス不透過部１００に相当する樹脂シート４１０に接触している領域の電解質膜２２を露出させる。電解質膜２２を透過したレーザビームは第１のガス不透過部１００に相当する樹脂シート４１０で遮断されるため、触媒層８０にダメージが生じることが抑制される。ここでの工程で用いるレーザの波長は、触媒層（電極）８２を加工可能で、かつ、電解質膜２２を透過する範囲、たとえば１８０−５５０ｎｍである。このように、この工程で用いられるレーザの波長は、図９（Ａ）に示した工程で用いられるレーザの波長と異なる。
【００７３】
以上の製造工程により、変形例に係る膜電極接合体が組み込まれた複合膜１２が簡便に作製される。
【００７４】
（実施の形態２）
図１０は、実施の形態２に係る燃料電池１０の構造を示す断面図である。実施の形態１の燃料電池１０では、第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２および第３のガス不透過部１０４が同等の厚みであるが、本実施の形態では、第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２の方が第３のガス不透過部１０４より厚くなっている。さらに、第１のガス不透過部１００の一部が第３のガス不透過部１０４の縁部の上に延在している。同様に、第２のガス不透過部１０２の一部が第３のガス不透過部１０４の縁部の上に延在している。これによれば、第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２により、第３のガス不透過部１０４が電解質膜２２の方へ押さえ付けられるため、第３のガス不透過部１０４と導電部１０６との接続信頼性を向上させることができ、ひいては、燃料電池１０の動作信頼性を向上させることができる。
【００７５】
（複合膜の作製方法）
実施の形態２に係る燃料電池１０に用いられる複合膜１２の作製方法について、図１１を参照して説明する。
【００７６】
まず、図３（Ａ）と同様に電解質膜２２を用意する。次に、図１１（Ａ）に示すように、膜電極接合体形成領域に挟まれた領域において、電解質膜２２の上に第３のガス不透過部１０４を形成する。本実施の形態では、第３のガス不透過部１０４の平面形状は長方形であるが、この形状に限定されない。
【００７７】
次に、図１１（Ｂ）に示すように、電解質膜２２の上に基材１４を載置し、第３のガス不透過部１０４を封止するように基材１４を変形させながら熱圧着させる。基材１４には、膜電極接合体形成領域に対応する開口部１６を設けておく。また、第３のガス不透過部１０４が厚い場合は、基材１４には、隣接する開口部１６の間において、第３のガス不透過部１０４を填め込み可能な凹部１１４を予め設けてもよい。
【００７８】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、電解質膜２２のアノード側から、第３のガス不透過部１０４に接する領域の基材１４にレーザを照射し、基材１４を選択的に除去して、第３のガス不透過部１０４を露出させる。
【００７９】
続いて、図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）と同様な工程を順に実施することにより、実施の形態２に係る膜電極接合体が組み込まれた複合膜１２を簡便に作製することができる。
【００８０】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る燃料電池１０は、電解質膜２２およびインターコネクタ１８の形態を除き、実施の形態１と同様である。図１２に、実施の形態３の燃料電池１０の電解質膜２２およびインターコネクタ１８をカソード側からみた平面図を示す。上述した実施の形態１および実施の形態２に係る燃料電池１０では、隣接する膜電極接合体２０の間において、一方の膜電極接合体２０を構成する電解質膜２２と他方の膜電極接合体２０を構成する電解質膜２２が連結している。一方、実施の形態３に係る燃料電池１０では、隣接する膜電極接合体２０の間全体にインターコネクタ１８が延在している。このインターコネクタ１８によって一方の膜電極接合体２０を構成する電解質膜２２と他方の膜電極接合体２０を構成する電解質膜２２とが分断されている。
【００８１】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様な効果を奏する他、インターコネクタの断面積を大きくすることができるため、膜電極接合体２０間を電気的に接続する際の抵抗を低減することができる。
【００８２】
（複合膜の作製方法）
実施の形態３に係る燃料電池１０に用いられる複合膜１２の作製方法について、図１３を参照して説明する。図１３では、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）、（ｉｉｉ）に平面図のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図をそれぞれ示す。
【００８３】
実施の形態３に係る燃料電池１０に用いられる複合膜１２の基本的な作製方法は、実施の形態１と同様である。以下、実施の形態３に係る燃料電池１０に用いられる複合膜１２の作製方法について実施の形態１の作製方法と異なる点を中心に説明する。
【００８４】
図３（Ａ）乃至図３（Ｂ）に示す工程の後、図１３に示すように、カソード側から電解質膜２２の所定位置にレーザを照射する。この所定領域は、第３のガス不透過部１０４が形成された領域を含み、電解質膜２２を横断する領域に対応しており、レーザ照射により所定領域の電解質膜２２が選択的に除去されると、電解質膜２２が個々の膜電極接合体２０に対応した領域に分割されるとともに、カソード側に第３のガス不透過部１０４が露出する。この工程で用いるレーザビームの波長は、電解質膜２２を加工できる範囲、たとえば１０６４−１０６００ｎｍである。
【００８５】
続いて、図４（Ｂ）乃至図４（Ｃ）と同様な工程を順に実施することにより、実施の形態３に係る膜電極接合体２０が組み込まれた複合膜１２を簡便に作製することができる。
【００８６】
（実施の形態４）
図１４は、実施の形態４に係る燃料電池１０の構造を示す断面図である。上述した実施の形態１、２および３の燃料電池１０では、複数の膜電極接合体を併設可能な形状および面積を有する電解質膜２２の上に、膜電極接合体形成領域に対応する開口部１６を設けて、基材１４を載置しているが、本実施の形態では、膜電極接合体形成領域に対応する開口部１６を設けて配置した基材１４の間に、電解質膜２２を形成している。また、上述した実施の形態１および実施の形態２に係る燃料電池１０では、隣接する膜電極接合体２０の間において、一方の膜電極接合体２０を構成する電解質膜２２と他方の膜電極接合体２０を構成する電解質膜２２が連結している。一方、実施の形態４に係る燃料電池１０では、実施の形態３と同様に隣接する膜電極接合体２０の間全体にインターコネクタ１８が延在している。このインターコネクタ１８によって一方の膜電極接合体２０を構成する電解質膜２２と他方の膜電極接合体２０を構成する電解質膜２２とが分断されている。
【００８７】
次に、図６（Ｂ）に示すように、導電シート４００と樹脂シート４１０からなる積層体４２０を短冊状に切断した後、洗浄して複合材４３０を得る。
【００８８】
ここで、導電シート４００は、図１５（Ｂ）に示すように、第３のガス不透過部１０４に対応する。また、導電シート４００の一方の側に積層された樹脂シート４１０は、第１のガス不透過部１００に対応する。図１５（Ｂ）に示すように、導電シート４００の他方の側に積層された樹脂シート４１０は、第２のガス不透過部１０２に対応する。
【００８９】
第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２は、触媒層の加工に用いられるレーザビームが透過することを妨げるように構成される。この方法および構造を実施することにより、レーザビームがアノード触媒層２４およびカソード触媒層２６を加工するために照射されるとき、当該レーザビームが第１のガス不透過部１００および第２のガス不透過部１０２を貫通しないように制御される。この結果、加工されるべき触媒層とは反対側の触媒層にレーザ溶融が生じることが抑制される。
【００９０】
絶縁層中の繊維は、レーザビームが透過することを妨げるように配向される。たとえば、ガラス繊維布が用いられる場合には、ガラス繊維の方向は、ガラス繊維が光透過材料として機能しないようにレーザビームの方向を向かないことが望ましい。たとえば、レーザ透過量が十分に減少するように、ガラス繊維は触媒層の加工に用いられるレーザビームに対して４５°の角度をなす。さらに、絶縁層は、触媒層の加工に用いられるレーザビームを吸収する添加剤が加えられたエポキシ樹脂で構成されてもよい。
【００９１】
本実施の形態によれば、実施の形態１、２、３と同様な効果を奏する他、電解質膜２２と基材１４の接続部を、基材１４の側面とすることで発電に寄与しない基材部分の投影面積を小さくすることができるので、実施の形態１、２、３と比べて集積度の高い、言い換えれば投影面積当たりの出力が高い燃料電池を形成することができる。
【００９２】
（複合膜の作製方法）
実施の形態４に係る燃料電池１０に用いられる複合膜１２の作製方法について、図１５を参照して説明する。図１５では、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＡ−Ａ線に沿った断面図をそれぞれ示す。
【００９３】
まず、図１５（Ａ）に示すように、複数の膜電極接合体を形成する基盤となるガラス板５００を用意する。なお、このガラス板５００は工程の途中で取り除かれるものである。
【００９４】
次に、図１５（Ｂ）に示すように、ガラス板の上に基材１４を載置し、端部を接着剤（図示せず）にて固定する。基材１４には、膜電極接合体形成領域に対応する開口部１６を設けておく。また、隣接する開口部１６の間に位置する領域には貫通孔１１２が所定の間隔で形成されている。この貫通孔１１２に、第３のガス不透過部１０４が充填されている。基材１４を電解質膜２２の上に載置する前に貫通孔１１２に第３のガス不透過部１０４を予め充填してもよく、基材１４を電解質膜２２の上に載置した後に貫通孔１１２に第３のガス不透過部１０４を充填してもよい。
【００９５】
次に、図１５（Ｃ）に示すように、開口部１６に溶媒中に電解質を分散させた電解質分散液を塗布し、溶媒を蒸発させて硬化させ、さらに熱処理を行う。電解質分散液はガス不透過で均質な厚さに形成することが望ましく、また塗布時に気泡の混入を防ぐごとが重要である。製膜時に気泡の混入防止と、混入した気泡を抜くためにはできるだけ濃度の薄い溶液を用いる方が望ましい。また、電解質を基材の開口部に基材の上面まで充填し乾燥させることにより、基材と電解質の界面は基材の高さ方向全体に密着した状態で形成できるため、より薄い溶液とより深い基材の開口部を用いたほうが、電解質膜と基材の接着面積が大きくなり接着強度を増すことができる。一方、濃度の薄い溶液と濃度の濃い溶液を使用して同じ厚みの膜を形成する場合、濃度の薄い溶液を用いる場合はより多くの溶液を開口部に保持する必要があり基材の開口を深くしなければならないが、濃度の濃い溶液を用いる場合はより少ない溶液を開口部に保持すればよいので基材の開口を浅くできる。濃い濃度の溶液を用いる方がより薄い燃料電池層を形成するためには望ましい。たとえば濃度が２０ｗｔ％のＮａｆｉｏｎ分散液（ＤｕＰｏｎｔ  Ｄ２０２０）を用い、基材１４の開口部１６の深さを７５〜１５０μｍとし、基材１４の上面までＮａｆｉｏｎ分散液を充填し乾燥させることで、電解質膜と基材の接着強度を確保しながら、燃料電池に適切な１５〜３０μｍの厚みの電解質膜を形成することができる。なお、７５〜１５０μｍの厚みの２０ｗｔ％のＮａｆｉｏｎ分散液を常温で放置し乾燥させると表面の硬化が先に進行し電解質膜にクラックが入ってしまう。表面にクラックを入れずに電解質膜を形成するためには、溶媒を徐々に蒸発させる必要があり、温度を下げたり、加圧することで溶媒の蒸発速度を抑えることができる。たとえば、２０ｗｔ％のＮａｆｉｏｎ分散液を７５〜１５０μｍで充填した際には、雰囲気を乾燥した状態に保ちながら１０〜１５℃程度の温度範囲で８時間程度かけて乾燥させ、その後に１２０℃で２０分間の熱処理を行うことで良好な膜を形成できる。
【００９６】
次に、図１６（Ａ）に示すように、基材１４の開口部１６に電解質膜２２を形成した複合膜をガラス板からはがす。本実施の形態では、ガラスの面に密着し、基材１４と同一面に形成された電解質膜２２の面がカソード側であり、反対側の電解質膜２２の面がアノード側である。なお、図１６（Ａ）（ｉｉ）に示すように、第３のガス不透過部１０４を挟む基材１４の領域が第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２である。
【００９７】
次に、図１６（Ｂ）に示すように、電解質膜２２の周縁部分を残し、電解質膜２２のアノード側およびカソード側の全体にそれぞれ触媒スラリーを塗布し、触媒層８０および触媒層８２を形成する。
【００９８】
次に、図１６（Ｃ）に示すように、電解質膜２２のアノード側に塗布された触媒層をレーザ照射により選択的に除去してアノード触媒層２４を形成するとともに、第２のガス不透過部１０２を露出させる。一方、電解質膜２２のカソード側に塗布された触媒層をレーザ照射により選択的に除去してカソード触媒層２６を形成するとともに、第１のガス不透過部１００に接触している領域の電解質膜２２を露出させる。言い換えると、電解質膜２２を挟んで第１のガス不透過部１００と対応している領域の触媒層８２にレーザ照射を行い、触媒層８２を選択的に除去する。電解質膜２２を透過したレーザビームは第１のガス不透過部１００で遮断されるため、触媒層８０にダメージが生じることが抑制される。ここでの工程で用いるレーザの波長は、触媒層（電極）８２を加工可能で、かつ、電解質膜２２を透過する範囲、たとえば１８０−５５０ｎｍである。
【００９９】
以上の製造工程により、実施の形態４に係る膜電極接合体が組み込まれた複合膜１２が簡便に作製される。
【０１００】
変形例として、実施形態1の変形例と同様の短冊状の複合材（集電体）４２０を用いることで、実施の形態４に係る膜電極接合体が組み込まれた複合膜１２が簡便に作製される。
【０１０１】
基材１４の第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２および、短冊状の複合材（集電体）４２０において、第１、２のガス不透過部１００、１０２に相当する樹脂シート４１０には、電解質膜２２と十分な強度で接合される必要がある。
【０１０２】
第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２および樹脂シート４１０と、電解質膜２２の間に接着性の高い中間層を設けてもよい。
【０１０３】
また、第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２および樹脂シート４１０の材質を、電解質膜２２と接着性の高い材質としてもよい。たとえば、電解質膜２２として２０ｗｔ％Ｎａｆｉｏｎ分散液を使用した場合は、第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２および樹脂シート４１０の材質をエポキシ樹脂とし、たとえばＨｕｎｔｓｍａｎのＡｒａｌｄｉｔｅ  ＬＹ１５５６、Ａｒａｄｕｒ  ９１７、Ａｒａｌｄｉｔｅ  ＧＹ５０８  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ  ０７０を２９：２９：４１：１の重量比で配合することで、優れた密着性を得ることができる。
【０１０４】
また、第１のガス不透過部１００、第２のガス不透過部１０２および樹脂シート４１０を、電解質膜２２と接着させる前に、サンドブラスト等の処理を行い表面に１μｍ程度の微細な凹凸を設け、アンカー効果により電解質膜２２との接着強度を高めてもよい。
【０１０５】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【０１０６】
上述した説明は、例示を意図とし、限定的ではない。上述した説明に基づいて当業者の通常の能力によって他の実施の形態が使用されうる。また、上述した詳細な説明において、開示内容を簡素化するように種々の特徴が分類される。これは、請求項に記載されていない開示内容がいかなる請求項にも本質的であることを意図しないと解される。むしろ、意図した主題は特定の開示された実施の形態の全ての特徴を含まない場合がある。このため、請求項の記載は、詳細な説明に組み込まれ、各請求項は個別の実施の形態として自立する。本発明の範囲は、請求項に付与される権利と等かな全ての範囲に沿って、請求項を参照して定められるべきである。
【符号の説明】
【０１０７】
１０  燃料電池、１２  複合膜、１４  基材、２０  膜電極接合体、２２  電解質膜、２４  アノード触媒層、２６  カソード触媒層、１６  開口部、１８  インターコネクタ、３７  燃料貯蔵部、４０  アノード用ハウジング、４２  カソード用ハウジング、４４  空気取入口、５０  封止部材、８０  触媒層、８２  触媒層、１００  第１のガス不透過部、１０２  第２のガス不透過部、１０４  第３のガス不透過部、１１０  貫通孔、１１２  貫通孔
【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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