(57)【要約】      （修正有）【課題】電解質膜と触媒層とガス拡散層とを圧着させる際に、触媒層、ガス拡散層、電解質膜に過剰に圧力が作用することを防止する。【解決手段】高分子電解質膜２１の外周部が、アノード触媒層２２１、カソード触媒層２３１、アノードガス拡散層２２２およびカソードガス拡散層２３２から露出した膜電極接合体２０を用意する第１の工程と、膜電極接合体２０を、カソードガス拡散層２３２が台板１０１に接するように台板１０１に載置する第２の工程と、膜電極接合体２０をその厚さ方向に加圧する第３の工程とを備え、第１の工程または第２の工程は、アノード触媒層２２１とアノードガス拡散層２２２との合計厚さよりも薄い第１のスペーサー１０３を、高分子電解質膜２１の外周部の上に設けることを含む膜電極接合体２０の製造方法。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第１の触媒層と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第２の触媒層と、前記第１の触媒層に重ねて設けられた第１のガス拡散層と、前記第２の触媒層に重ねて設けられた第２のガス拡散層とを備え、前記電解質膜の外周部が、前記第１の触媒層、前記第２の触媒層、前記第１のガス拡散層および前記第２のガス拡散層から露出した膜電極接合体を用意する第１の工程と、
前記膜電極接合体を、前記第２のガス拡散層が台に接するように前記台に載置する第２の工程と、
前記膜電極接合体をその厚さ方向に加圧部材および前記台により加圧する第３の工程と
を備え、
前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第１の触媒層と前記第１のガス拡散層との合計厚さよりも薄い第１のスペーサーを、前記外周部の上に設けることと、前記第２の触媒層と前記第２のガス拡散層との合計厚さよりも薄い第２のスペーサーを、前記外周部と前記台との間に設けることとの少なくとも一方を含む膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第１のスペーサーを、少なくとも前記第１の触媒層および前記第１のガス拡散層を挟んだ両側に設けることを含む膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第１のスペーサーを、前記第１の触媒層および前記第１のガス拡散層を包囲するように設けることを含む膜電極接合体の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記第３の工程は、前記加圧部材を前記第１のスペーサーに当接させるまで加圧することを含む膜電極接合体の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第２のスペーサーを、少なくとも前記第２の触媒層および前記第２のガス拡散層を挟んだ両側に設けることを含む膜電極接合体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか１項に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第２のスペーサーを、前記第２の触媒層および前記第２のガス拡散層を包囲するように設けることを含む膜電極接合体の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記第１の触媒層および前記第１のガス拡散層は、前記膜電極接合体のアノードおよびカソードの何れか一方を構成し、
前記第２の触媒層および前記第２のガス拡散層は、前記膜電極接合体の前記アノードおよび前記カソードの何れか他方を構成し、
前記第１のスペーサーおよび前記第２のスペーサーの一方であり前記カソード側に設けられたスペーサーの厚さは、前記第１のスペーサーおよび前記第２のスペーサーの他方であり前記アノード側に設けられたスペーサーの厚さよりも大きい膜電極接合体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記第１の工程において、前記第１のスペーサーを、前記外周部に設ける膜電極接合体の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の膜電極接合体の製造方法を用いて前記膜電極接合体を製造する工程と、
前記膜電極接合体とバイポーラプレートとを交互に積層することにより燃料電池を製造する工程と、
前記燃料電池に燃料および酸化剤を供給し、前記燃料電池の排出物を排出する循環機構を製造する工程と
を備える燃料電池システムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体の製造方法、および燃料電池システムの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
膜電極接合体の製造方法として、導電層に触媒層を塗設したものを電解質膜にホットプレス法で圧着することにより触媒層と電解質膜とを密着させる方法や、支持体に触媒層を塗設したものを電解質膜に転写しながら圧着した後に導電層を挟む込むことにより触媒層と電解質膜とを密着させる方法等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−７０６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電解質膜と触媒層とガス拡散層とを圧着させる際、触媒層とガス拡散層とに過剰な圧力が作用して触媒層の細孔やガス拡散層の細孔が過剰に潰れたり、または、電解質膜の一部に過剰な圧力が作用して電解質膜に変形が生じたりする可能性がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、電解質膜と触媒層とガス拡散層とを圧着させる際に、触媒層とガス拡散層とに対して過剰な圧力が作用したり、または、電解質膜に対して部分的に過剰に圧力が作用したりすることを防止できる膜電極接合体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第１の触媒層と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第２の触媒層と、前記第１の触媒層に重ねて設けられた第１のガス拡散層と、前記第２の触媒層に重ねて設けられた第２のガス拡散層とを備え、前記電解質膜の外周部が、前記第１の触媒層、前記第２の触媒層、前記第１のガス拡散層および前記第２のガス拡散層から露出した膜電極接合体を用意する第１の工程と、前記膜電極接合体を、前記第２のガス拡散層が台に接するように前記台に載置する第２の工程と、前記膜電極接合体をその厚さ方向に加圧部材および前記台により加圧する第３の工程とを備え、前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第１の触媒層と前記第１のガス拡散層との合計厚さよりも薄い第１のスペーサーを、前記外周部の上に設けることと、前記第２の触媒層と前記第２のガス拡散層との合計厚さよりも薄い第２のスペーサーを、前記外周部と前記台との間に設けることとの少なくとも一方を含む。
【０００７】
［２］上記発明において、前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第１のスペーサーを、少なくとも前記第１の触媒層および前記第１のガス拡散層を挟んだ両側に設けることを含んでもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第１のスペーサーを、前記第１の触媒層および前記第１のガス拡散層を包囲するように設けることを含んでもよい。
【０００９】
［４］上記発明において、前記第３の工程は、前記加圧部材を前記第１のスペーサーに当接させるまで加圧することを含んでもよい。
【００１０】
［５］上記発明において、前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第２のスペーサーを、少なくとも前記第２の触媒層および前記第２のガス拡散層を挟んだ両側に設けることを含んでもよい。
【００１１】
［６］上記発明において、前記第１の工程または前記第２の工程は、前記第２のスペーサーを、前記第２の触媒層および前記第２の拡散層を包囲するように設けることを含んでもよい。
【００１２】
［７］上記発明において、前記第１の触媒層および前記第１のガス拡散層は、前記膜電極接合体のアノードおよびカソードの何れか一方を構成し、前記第２の触媒層および前記第２のガス拡散層は、前記膜電極接合体の前記アノードおよび前記カソードの何れか他方を構成してもよく、前記第１のスペーサーおよび前記第２のスペーサーの一方であり前記カソード側に設けられたスペーサーの厚さは、前記第１のスペーサーおよび前記第２のスペーサーの他方であり前記アノード側に設けられたスペーサーの厚さよりも大きくてもよい。
【００１３】
［８］上記発明において、前記第１の工程は、前記第１のスペーサーを、前記外周部に設けることを含んでもよい。
【００１４】
［９］本発明に係る燃料電池システムの製造方法は、上記の膜電極接合体の製造方法を用いて前記膜電極接合体を製造する工程と、前記膜電極接合体とバイポーラプレートとを交互に積層することにより燃料電池を製造する工程と、前記燃料電池に燃料および酸化剤を供給し、前記燃料電池の排出物を排出する循環機構を製造する工程とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電解質膜の外周部の上に第１のスペーサーを設けることにより、電解質膜と触媒層とガス拡散層とを圧着させる際に、膜電極接合体に作用する圧力を触媒層およびガス拡散層と第１のスペーサーとに分散させることができるので、触媒層とガス拡散層とに対して過剰な圧力が作用したり、または、電解質膜に対して部分的に過剰に圧力が作用したりすることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係る製造方法を用いて製造する膜電極接合体を備える燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図２】図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】図３は、図１のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】図４は、膜電極接合体を示す断面図である。
【図５】図５は、膜電極接合体の層間を熱圧着する熱圧着装置を示す斜視図である。
【図６】図６（Ａ）〜（Ｃ）は、膜電極接合体の層間を熱圧着する工程を示す断面図である。
【図７】図７は、膜電極接合体を製造する手順について説明する工程図である。
【図８】図８（Ａ）、（Ｂ）は、積層体の層間を熱圧着する工程の比較例を示す断面図である。
【図９】図９は、図１の燃料電池スタックを備える燃料電池システムを示す図である。
【図１０】図１０は、第１および第２のスペーサーの変形例を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、第１および第２のスペーサーの変形例を示す斜視図である。
【図１２】図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、膜電極接合体の層間を熱圧着する工程の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態に係る製造方法を用いて製造する膜電極接合体を備える燃料電池スタック１０を示す斜視図である。図２は図１のII-II線に沿った断面図である。図３は図１のIII-III線に沿った断面図である。これらの図に示すように、燃料電池スタック１０は、積層された複数のダイレクトメタノール型の燃料電池１１と、エンドプレート７５，７６とを備える。この燃料電池スタック１０では、積層された複数の燃料電池１１が直列接続されており、燃料電池１１の積層数に応じた電力が出力される。
【００１９】
図２および図３に示す通り、燃料電池スタック１０は、燃料供給側マニホールド２と、燃料排出側マニホールド３と、空気供給側マニホールド４と、空気排出側マニホールド５とを備える。これらのマニホールドは、複数の燃料電池１１からなる積層体の外周部に配されている。また、これらのマニホールドは、エンドプレート７５の表面まで延在している。複数の燃料電池１１からなる積層体は、矩形柱形状であるところ、図１を用いて説明すると、燃料供給側マニホールド２は、複数の燃料電池１１からなる積層体の一方の側面に沿って積層方向に延びるように形成され、燃料排出側マニホールド３は、当該積層体の他方の側面に沿って積層方向に延びるように形成され、空気供給側マニホールド４は、当該積層体の上面に沿って積層方向に延びるように形成され、空気排出側マニホールド５は、当該積層体の下面に沿って積層方向に延びるように形成されている。
【００２０】
一対のエンドプレート７５，７６は、積層された複数の燃料電池１１を挟み込みように配されており、複数本のボルトによって締結されている。本実施形態の燃料電池スタック１０では、燃料電池１１のカソードと電気的に接続されエンドプレート７６に組み込まれた集電体（不図示）が正極となり、燃料電池１１のアノードと電気的に接続されエンドプレート７５に組み込まれた集電体（不図示）が負極となる。これらの正極および負極が外部負荷に接続され、燃料電池スタック１０から当該外部負荷に電力が供給される。
【００２１】
エンドプレート７５は、燃料供給口７５１と、燃料排出口７５２と、空気供給口７５３と、空気排出口７５４とを有する。燃料供給口７５１は、燃料供給側マニホールド２に面して配され、燃料排出口７５２は、燃料排出側マニホールド３に面して配されている。また、空気供給口７５３は、空気供給側マニホールド４に面して配され、空気排出口７５４は、空気排出側マニホールド５に面して配されている。
【００２２】
燃料電池スタック１０では、燃料（メタノール水容液）が、燃料電池スタック１０の外部から燃料供給口７５１、および燃料供給側マニホールド２を通じてそれぞれの燃料電池１１のアノードに供給され、未反応の燃料及びアノードでの生成物が、燃料排出側マニホールド３、および燃料排出口７５２を通じて燃料電池スタック１０の外部に排出される。一方、燃料電池スタック１０では、空気（酸化剤）が、空気供給口７５３、および空気供給側マニホールド４を通じてそれぞれの燃料電池１１のカソードに供給され、未反応の空気およびカソードでの生成物が、空気排出側マニホールド５、および空気排出口７５４を通じて燃料電池スタック１０の外部に排出される。
【００２３】
図２および図３に示すように、燃料電池１１は、膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）と、一対のバイポーラプレート３０とを備える。膜電極接合体２０とバイポーラプレート３０とは、燃料電池１１の積層方向（図中Ｙ軸方向）に交互に積層されている。膜電極接合体２０は、高分子電解質膜２１と、アノード２２と、カソード２３とを備える。高分子電解質膜２１は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する。アノード２２は、高分子電解質膜２１の一方の主面に設けられている。カソード２３は、高分子電解質膜２１の他方の主面に設けられている。
【００２４】
高分子電解質膜２１、アノード２２、およびカソード２３は、矩形板状に形成されている。高分子電解質膜２１の縦方向（図中Ｚ軸方向）の寸法は、アノード２２およびカソード２３の縦方向の寸法よりも大きく設定され、高分子電解質膜２１の横方向（図中Ｘ軸方向）の寸法は、アノード２２およびカソード２３の横方向の寸法よりも大きく設定されている。これにより、高分子電解質膜２１の外周部は、その全周においてアノード２２およびカソード２３の外周縁部から露出している。
【００２５】
図４は、膜電極接合体２０を示す断面図である。この図に示すように、膜電極接合体２０のアノード２２は、アノード触媒層２２１と、アノードガス拡散層２２２とを備える。また、膜電極接合体２０のカソード２３は、カソード触媒層２３１と、カソードガス拡散層２３２とを備える。アノード触媒層２２１は、高分子電解質膜２１の一方の主面に形成され、カソード触媒層２３１は、高分子電解質膜２１の他方の主面に形成されている。また、アノードガス拡散層２２２は、アノード触媒層２２１に重ねて形成され、また、カソード側がアノード側に対して図４の上側に来るように図４の構成をひっくり返した際において、カソードガス拡散層２３２は、カソード触媒層２３１に重ねて形成されている。
【００２６】
高分子電解質膜２１としては、固体高分子電解質膜等を例示できる。アノード触媒層２２１及びカソード触媒層２３１は、電極触媒と、導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを少なくとも含む。電極触媒としては、白金又は白金合金からなる金属触媒（白金系触媒）等を例示できる。導電性炭素粒子としては、電極触媒を担持する細孔の発達したカーボン材料等を例示できる。なお、アノード触媒層２２１は、中間生成物である一酸化炭素が白金系触媒を被毒することを防止する観点から、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムなどを含むことが望ましい。
【００２７】
アノード触媒層２２１及びカソード触媒層２３１に含有される高分子電解質と、高分子電解質膜２１を構成する高分子電解質とは、同じ種類のものを用いることができる。これらの高分子電解質としては、イオノマー（ionomer）を例示できる。なお、アノード触媒層２２１、カソード触媒層２３１、および高分子電解質膜２１に含有される高分子電解質は、異なる種類のものであってもよい。
【００２８】
アノードガス拡散層２２２は、燃料供給側マニホールド２から供給された燃料をアノード触媒層２２１に導く機能と導電性とを有する。一方、カソードガス拡散層２３２は、空気供給側マニホールド４から供給された空気をカソード触媒層２３１に導く機能と導電性とを有する。アノードガス拡散層２２２やカソードガス拡散層２３２としては、ガス透過性や電子伝導性を有する導電性多孔質材を用いることができる。なお、アノードガス拡散層２２２とカソードガス拡散層２３２としては、同じ種類のものを用いてもよく、異なる種類のものを用いてもよい。
【００２９】
高分子電解質膜２１の外周部の両面には、補強層２１１が形成されている。この補強層２１１は、燃料に対する腐食性と電気絶縁性を有する材料により構成されている。補強層２１１を構成する材料としては、フェノール樹脂等の公知の熱硬化性樹脂や耐熱性を有する公知の熱可塑性樹脂等を例示できる。なお、高分子電解質膜２１の強度が十分に高い場合には、補強層２１１を省略してもよい。
【００３０】
図２及び図３に示すように、バイポーラプレート３０は、導電性を有する矩形状の平坦な板である。このバイポーラプレート３０の縦方向（図中Ｚ軸方向）の寸法は、膜電極接合体２０の縦方向の寸法よりも大きく設定され、バイポーラプレート３０の横方向（図中Ｘ軸方向）の寸法は、膜電極接合体２０の横方向の寸法よりも大きく設定されている。このバイポーラプレート３０を構成する導電性材料としては、ステンレス鋼やアルミニウム等の金属やカーボン樹脂等を例示できる。
【００３１】
バイポーラプレート３０には、燃料供給孔３０１と、燃料排出孔３０２と、空気供給孔３０３と、空気排出孔３０４とが形成されている。ここで、図１、図２および図３を用いて説明すると、燃料供給孔３０１は、バイポーラプレート３０の左右の一方の辺に沿って形成された長孔であり、燃料排出孔３０２は、バイポーラプレート３０の左右の他方の辺に沿って形成された長孔である。空気供給孔３０３は、バイポーラプレート３０の上辺に沿って形成された長孔であり、空気排出孔３０４は、バイポーラプレート３０の下辺に沿って形成された長孔である。図１、図２および図３を用いて説明した場合において、この図１の構造を基準としてＹ軸方向（積層方向）から見た時の位置関係から、空気供給孔３０３の横方向の端部のうち、左端は、燃料供給孔３０１の右端よりも右側に位置し、また、右端は、燃料排出孔３０２の左端よりも右側に位置する。また、空気排出孔３０４の横方向の端のうち、左端は、燃料供給孔３０１の右端よりも右側に位置し、また、右端は、燃料排出孔３０２の左端よりも右側に位置する。
【００３２】
図２及び図３に示すように、バイポーラプレート３０の一方の主面には、凹凸（直線状の溝および直線状の隔壁）が縦方向（図中Ｚ方向）に繰り返されたアノード側流路部３１が形成されている。このアノード側流路部３１は、燃料供給孔３０１、空気供給孔３０３、燃料排出孔３０２、および空気排出孔３０４により囲まれている。ここで、アノード側流路部３１の左右の一方側の端部と、燃料供給孔３０１におけるバイポーラプレート３０の中央側の辺とは、左右方向の位置が一致している。また、アノード側流路部３１の左右の他方の辺と、燃料排出孔３０２におけるバイポーラプレート３０の中央側の辺とは、左右方向の位置が一致している。これにより、アノード側流路部３１の縦方向に並んだ複数の流路は、燃料供給孔３０１から燃料排出孔３０２に延びている。
【００３３】
バイポーラプレート３０の他方の主面には、凹凸（直線状の溝および直線状の隔壁）が横方向に繰り返されたカソード側流路部３２が形成されている。このカソード側流路部３２は、燃料供給孔３０１、空気供給孔３０３、燃料排出孔３０２、および空気排出孔３０４により囲まれている。ここで、カソード側流路部３２の上端と、空気供給孔３０３の下辺とは、上下方向の位置が一致している。また、カソード側流路部３２の下端と、空気排出孔３０４の上辺とは、上方向の位置が一致している。これにより、カソード側流路部３２の横方向に並んだ複数の流路は、空気供給孔３０３から空気排出孔３０４に延びている。なお、上述したアノード側流路部３１を構成する複数の流路の構造およびカソード側流路部３２を構成する複数の流路の構造は、いわゆるストレート構造であるが、この構造に限定されず、例えば、サーペンタイン構造であってもよい。ここで、サーペンタイン構造である場合には、バイポーラプレート３０の各隅部付近にそれぞれ、燃料供給孔３０１、燃料排出孔３０２、空気供給孔３０３、及び空気排出孔３０４が存在する。
【００３４】
アノード供給側プレート３４は、縦方向に延びる細長い絶縁性の板材である。このアノード供給側プレート３４は、アノード側流路部３１における燃料供給孔３０１側の端部に接合されている。また、アノード供給側プレート３４は、アノード側流路部３１の下端から上端まで延びている。一方、アノード排出側プレート３５は、縦方向に延びる細長い絶縁性の板材である。このアノード排出側プレート３５は、アノード側流路部３１における燃料排出孔３０２側の端部に接合されている。また、アノード排出側プレート３５は、アノード側流路部３１の下端から上端まで延びている。なお、アノード供給側プレート３４およびアノード排出側プレート３５は、不要にしてもよい。
【００３５】
ここで、アノード供給側プレート３４とアノード排出側プレート３５との間には、膜電極接合体２０のアノード２２が収容される。また、補強層２１１の燃料供給孔３０１側の一辺がアノード供給側プレート３４に当接し、補強層２１１の燃料排出孔３０２側の一辺がアノード排出側プレート３５に当接する。さらに、アノードガス拡散層２２２がアノード側流路部３１の凸部に当接する。これにより、アノードガス拡散層２２２とアノード側流路部３１とにより、縦方向に並んだ複数の流路が形成されている。
【００３６】
カソード供給側プレート３６は、横方向に延びる細長い絶縁性の板材である。このカソード供給側プレート３６は、カソード側流路部３２における空気供給孔３０３側の端部（上端部）に接合されている。また、カソード供給側プレート３６は、カソード側流路部３２の左端から右端まで延びている。一方、カソード排出側プレート３７は、横方向に延びる細長い絶縁性の板材である。このカソード排出側プレート３７は、カソード側流路部３２における空気排出孔３０４側の端部（下端部）に接合されている。また、カソード排出側プレート３７は、カソード側流路部３２の左端から右端まで延びている。なお、カソード供給側プレート３６およびカソード排出側プレート３７は、不要にしてもよい。
【００３７】
ここで、カソード供給側プレート３６とカソード排出側プレート３７との間には、膜電極接合体２０のカソード２３が収容される。また、補強層２１１の空気供給孔３０３側の一辺（上辺）がカソード供給側プレート３６に当接し、補強層２１１の空気排出孔３０４側の一辺（下辺）がカソード排出側プレート３７に当接する。さらに、カソードガス拡散層２３２がカソード側流路部３２の凸部に当接する。これにより、カソードガス拡散層２３２とカソード側流路部３２とにより、横方向に並んだ複数の流路が形成されている。
【００３８】
燃料供給側シール部材４１は、細長い環状のシール部材である。この燃料供給側シール部材４１は、バイポーラプレート３０の他方の主面（図２の左側の面）に対して、燃料供給孔３０１を囲うように形成されている。一方、燃料排出側シール部材４２は、細長い環状のシール部材である。この燃料排出側シール部材４２は、バイポーラプレート３０の他方の主面に対して、燃料排出孔３０２を囲うように形成されている。なお、燃料供給側シール部材４１および燃料排出側シール部材４２の形状は、燃料供給孔３０１または燃料排出孔３０２の形状や位置に応じて適宜設定すればよい。
【００３９】
カソード側シール部材４３は、矩形環状のシール部材である。このカソード側シール部材４３は、バイポーラプレート３０の他方の主面（図３の左側の面）に対して、空気供給孔３０３、カソード側流路部３２、および空気排出孔３０４を囲うように形成されている。なお、カソード側シール部材４３の形状は、カソード側流路部３２や空気排出孔３０４の形状や位置に応じて適宜設定すればよい。
【００４０】
燃料供給側シール部材４１、燃料排出側シール部材４２およびカソード側シール部材４３を構成する材料としては、室温加硫型のシリコーン接着剤、ＥＰＤＭゴム、ポリオレフィン系の液状ガスケット等を例示できる。即ち、燃料供給側シール部材４１、燃料排出側シール部材４２およびカソード側シール部材４３は、室温加硫型の接着剤をバイポーラプレート３０の他方の主面に塗布して硬化させることにより形成することができる。
【００４１】
空気供給側シール部材４４は、細長い環状のシール部材である。この空気供給側シール部材４４は、バイポーラプレート３０の一方の主面（図３の右側の面）に対して、空気供給孔３０３を囲うように形成されている。一方、空気排出側シール部材４５は、細長い環状のシール部材である。この空気排出側シール部材４５は、バイポーラプレート３０の一方の主面に対して、空気排出孔３０４を囲うように形成されている。なお、空気供給側シール部材４４および空気排出側シール部材４５の形状は、空気供給孔３０３の形状や位置に応じて適宜設定すればよい。
【００４２】
アノード側シール部材４６は、矩形環状のシール部材である。このアノード側シール部材４６は、バイポーラプレート３０の一方の主面（図２の右側の面）に対して、燃料供給孔３０１、アノード側流路部３１、および燃料排出孔３０２を囲うように形成されている。なお、アノード側シール部材４６の形状は、燃料供給孔３０１やアノード側流路部３１や燃料排出孔３０２の形状や位置に応じて適宜設定すればよい。
【００４３】
空気供給側シール部材４４、空気排出側シール部材４５およびアノード側シール部材４６を構成する材料としては、室温加硫型のシリコーン接着剤、ＥＰＤＭゴム、ポリオレフィン系の液状ガスケット等を例示できる。即ち、空気供給側シール部材４４、空気排出側シール部材４５およびアノード側シール部材４６は、室温加硫型の接着剤をバイポーラプレート３０の一方の主面に塗布して硬化させることにより形成することができる。
【００４４】
燃料供給側マニホールド２は、燃料電池１１の積層方向に重ねられた複数の燃料供給孔３０１と、前後の燃料供給孔３０１を相互に接続する燃料供給側シール部材４１、アノード側シール部材４６、およびアノード供給側プレート３４とにより構成されている。エンドプレート７５と最前列（図２の左端）のバイポーラプレート３０との間では、これらによって、燃料供給側シール部材４１が挟み込まれている。また、複数のバイポーラプレート３０同士の積層方向（図１等におけるＹ軸方向）において、これらの積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０同士の間においては、図２等で示す通り、燃料供給孔３０１よりも−Ｘ軸方向において、アノード側シール部材４６と燃料供給側シール部材４１とが、その前後のバイポーラプレート３０により挟み込まれている。
【００４５】
また、燃料供給孔３０１よりも＋Ｘ軸方向において、アノード供給側プレート３４、高分子電解質膜２１の外周部（補強層２１１を含む）および燃料供給側シール部材４１が、その前後のバイポーラプレート３０により上記の積層方向に挟み込まれている。さらに、最後列（図２の右端）のバイポーラプレート３０とエンドプレート７６との間では、燃料供給孔３０１よりも−Ｘ軸方向において、アノード側シール部材４６が、バイポーラプレート３０とエンドプレート７６とにより挟み込まれ、燃料供給孔３０１よりも＋Ｘ軸方向において、アノード供給側プレート３４が、バイポーラプレート３０とエンドプレート７６とにより挟み込まれている。ここで、アノード側流路部３１とアノードガス拡散層２２２とにより画成される複数のアノード流路３１１が、燃料供給側マニホールド２に接続されている。
【００４６】
燃料排出側マニホールド３は、燃料電池１１の積層方向に重ねられた複数の燃料排出孔３０２と、前後の燃料排出孔３０２を相互に接続する燃料排出側シール部材４２、アノード側シール部材４６、およびアノード排出側プレート３５とにより構成されている。エンドプレート７５と最前列（図２の左端）のバイポーラプレート３０との間では、これらによって、燃料排出側シール部材４２が挟み込まれている。ここで、この燃料排出側シール部材４２は、上述したエンドプレート７５と最前列のバイポーラプレート３０により挟み込まれている燃料供給側シール部材４１と共に省略することができる。また、複数のバイポーラプレート３０同士の積層方向（図１等におけるＹ軸方向）において、これらの積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０同士の間においては、図２等で示す通り、燃料排出孔３０２よりも＋Ｘ軸方向において、アノード側シール部材４６と燃料排出側シール部材４２とが、その前後のバイポーラプレート３０により挟み込まれている。また、燃料排出孔３０２よりも−Ｘ軸方向の内側において、アノード排出側プレート３５、高分子電解質膜２１の外周部（補強層２１１を含む）および燃料排出側シール部材４２が、その前後のバイポーラプレート３０により上記の積層方向に挟み込まれている。さらに、最後列（図２の右端）のバイポーラプレート３０とエンドプレート７６との間では、燃料排出孔３０２よりも−Ｘ軸方向において、アノード側シール部材４６が、バイポーラプレート３０とエンドプレート７６とにより挟み込まれ、燃料排出孔３０２よりも＋Ｘ軸方向において、アノード排出側プレート３５が、バイポーラプレート３０とエンドプレート７６とにより挟み込まれている。ここで、アノード側流路部３１とアノードガス拡散層２２２とにより画成される複数のアノード流路３１１が、燃料排出側マニホールド３に接続されている。
【００４７】
燃料供給口７５１から供給された燃料は、燃料供給側マニホールド２を通って、エンドプレート７５側からエンドプレート７６側へ流れると共に、アノード供給側プレート３４と補強層２１１との間から、複数のアノード流路３１１に流入する。複数のアノード流路３１１に流入した燃料は、アノード２２に供給される。未反応の燃料およびアノードで生成された生成物は、複数のアノード流路３１１から燃料排出側マニホールド３に流れ、燃料排出側マニホールド３を通って燃料排出口７５２から排出される。ここで、燃料供給孔３０１は、燃料供給側マニホールド２を構成し、燃料排出孔３０２は、燃料排出側マニホールド３を構成する。
【００４８】
空気供給側マニホールド４は、燃料電池１１の積層方向に重ねられた複数の空気供給孔３０３と、前後の空気供給孔３０３を相互に接続する空気供給側シール部材４４、カソード側シール部材４３、およびカソード供給側プレート３６とにより構成されている。エンドプレート７５と最前列（図３の左端）のバイポーラプレート３０との間では、空気供給孔３０３よりも図３のＺ軸方向における上側において、カソード側シール部材４３が、エンドプレート７５とバイポーラプレート３０とにより挟み込まれ、空気供給孔３０３よりも図３のＺ軸方向における下側において、カソード供給側プレート３６が、エンドプレート７５とバイポーラプレート３０とにより挟み込まれている。また、複数のバイポーラプレート３０同士の積層方向（図１等におけるＹ軸方向）において、これらの積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０同士の間においては、図２等で示す通り、空気供給孔３０３よりも＋Ｚ軸方向において、カソード側シール部材４３と空気供給側シール部材４４とが、その前後のバイポーラプレート３０により挟み込まれている。また、空気供給孔３０３よりも−Ｚ軸方向において、空気供給側シール部材４４、高分子電解質膜２１の外周部（補強層２１１を含む）およびカソード供給側プレート３６が、これらの前後のバイポーラプレート３０により上記の積層方向に挟み込まれている。さらに、最後列（図３の右端）のバイポーラプレート３０とエンドプレート７６との間では、空気供給側シール部材４４が、バイポーラプレート３０とエンドプレート７６とにより挟み込まれている。ここで、カソード側流路部３２とカソードガス拡散層２３２とにより画成される複数のカソード流路３２１が、空気供給側マニホールド４に接続されている。
【００４９】
空気排出側マニホールド５は、燃料電池１１の積層方向に重ねられた複数の空気排出孔３０４と、前後の空気排出孔３０４を相互に接続する空気排出側シール部材４５、カソード側シール部材４３、およびカソード排出側プレート３７とにより構成されている。エンドプレート７５と最前列（図３の左端）のバイポーラプレート３０との間では、空気排出孔３０４よりも図３のＺ軸方向における下側において、カソード側シール部材４３が、エンドプレート７５とバイポーラプレート３０とにより挟み込まれ、空気排出孔３０４よりも図３のＺ軸方向における上側において、カソード排出側プレート３７が、エンドプレート７５とバイポーラプレート３０とにより挟み込まれている。また、複数のバイポーラプレート３０同士の積層方向（図１等におけるＹ軸方向）において、これらの積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０同士の間においては、図２等で示す通り、空気排出孔３０４よりも−Ｚ軸方向において、カソード側シール部材４３と空気排出側シール部材４５とが、その前後のバイポーラプレート３０により挟み込まれている。また、空気排出孔３０４よりも＋Ｚ軸方向において、空気排出側シール部材４５、高分子電解質膜２１の外周部（補強層２１１を含む）およびカソード排出側プレート３７が、これらの前後のバイポーラプレート３０により上記の積層方向に挟み込まれている。さらに、最後列（図３の右端）のバイポーラプレート３０とエンドプレート７６との間では、空気排出側シール部材４５が、バイポーラプレート３０とエンドプレート７６とにより挟み込まれている。ここで、カソード側流路部３２とカソードガス拡散層２３２とにより画成される複数のカソード流路３２１が、空気排出側マニホールド５に接続されている。
【００５０】
空気供給口７５３から供給された空気は、空気供給側マニホールド４を通って、エンドプレート７５側からエンドプレート７６側へ流れると共に、カソード供給側プレート３６と補強層２１１との間から、複数のカソード流路３２１に流入する。複数のカソード流路３２１に流入した空気は、カソード２３に供給される。未反応の空気およびカソードで生成された生成物が、複数のカソード流路３２１から空気排出側マニホールド５に流れ、空気排出側マニホールド５を通って空気排出口７５４から排出される。ここで、燃料供給孔３０１は、燃料供給側マニホールド２を構成し、燃料排出孔３０２は、燃料排出側マニホールド３を構成する。また、燃料供給口７５１と燃料排出口７５２と空気供給口７５３と空気排出口７５４とを積層方向の同じ側に設けることは必須ではなく、燃料供給口７５１と燃料排出口７５２とを積層方向の反対側に設け、空気供給口７５３と空気排出口７５４とを積層方向の反対側に設けてもよい。
【００５１】
燃料電池スタック１０の各燃料電池１１では、アノード流路３１１からアノード２２に燃料が供給され、カソード流路３２１からカソード２３に空気が供給される。これにより、各燃料電池１１のアノードにおいて、下記（１）式の酸化反応が生じ、各燃料電池１１のカソードにおいて、下記（２）式の還元反応が生じる。これにより、アノード２２とカソード２３との間に電流が流れる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …（１）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ  …（２）
【００５２】
図５は、膜電極接合体２０の高分子電解質膜２１、アノード触媒層２２１、アノードガス拡散層２２２、カソード触媒層２３１およびカソードガス拡散層２３２における各層間を熱圧着する熱圧着装置１００を示す斜視図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）は、膜電極接合体２０の層間を熱圧着する工程を示す断面図である。これらの図に示すように、熱圧着装置１００は、台板１０１と、加圧板１０２と、第１のスペーサー１０３と、第２のスペーサー１０４とを備える。台板１０１は、一または複数の膜電極接合体２０を載置できる平坦な上面１０１Ａを備える高剛性の板材である。なお、図５および図６では、一枚の膜電極接合体２０を載置できる台板１０１を示しているが、これには限定されない。
【００５３】
加圧板１０２は、平坦な加圧面（下面）１０２Ａを備える高剛性の板材であり、パルスヒート方式やコンスタントヒート方式等の公知の方式で加熱される。この加圧板１０２は、その加圧面１０２Ａと台板１０１の上面１０１Ａとが上下方向に対向するように、不図示の加圧機構により支持されている。この加圧機構は、加圧板１０２を台板１０１に対して接近および離間させ、加圧板１０２と台板１０１とにより膜電極接合体２０をその厚さ方向に加圧する。
【００５４】
第１のスペーサー１０３は、矩形環状の薄板（膜体）であり、膜電極接合体２０の高分子電解質膜２１の外周部の上に載置される。この高分子電解質膜２１の外周部は、補強層２１１が形成された部位であり、アノード２２およびカソード２３から露出している部位である。即ち、第１のスペーサー１０３は、補強層２１１上においてアノード２２またはカソード２３を包囲する。なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）では、アノード２２が高分子電解質膜２１の上側に位置し、カソード２３が高分子電解質膜２１の下側に位置し、第１のスペーサー１０３がアノード２２を包囲するように示されているが、これには限定されない。カソード２３が高分子電解質膜２１の上側に位置し、アノード２２が高分子電解質膜２１の下側に位置し、第１のスペーサー１０３がカソード２３を包囲するようにしてもよい。
【００５５】
第２のスペーサー１０４は、矩形環状の薄板（膜体）であり、台板１０１の上面１０１Ａに設けられる。この第２のスペーサー１０４は、台板１０１の上面１０１Ａに接着などにより固定されてもよく、上面１０１Ａに対して載置されるのみで非固定であってもよい。
【００５６】
本実施形態では、膜電極接合体２０の各層が積層方向からみて正方形であり、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４は正方形である。高分子電解質膜２１の一辺の長さと第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４の外形の一辺の長さとは一致している。これにより、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、膜電極接合体２０の周縁端と、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４の周縁端との位置が一致するように、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４と膜電極接合体２０とを位置合わせすることが可能である。
【００５７】
第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４の開口の一辺の長さは、平面視において、アノード２２およびカソード２３の一辺の長さよりも大きく設定されている。これにより、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、アノード２２の周縁端と第１のスペーサー１０３の開口縁部との間に隙間ができ、カソード２３の周縁端と第２のスペーサー１０４の開口縁部との間に隙間ができるように、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４と膜電極接合体２０との位置合わせを行うことが可能である。
【００５８】
第１のスペーサー１０３の厚さＴ１は、アノード２２の厚さ（アノード触媒層２２１の厚さＴＡ１とアノードガス拡散層２２２の厚さＴＡ２との合計値）ＴＡよりも小さく、アノード触媒層２２１の厚さＴＡ１よりも大きい。本実施形態では、第１のスペーサー１０３の厚さＴ１は、アノード２２の厚さＴＡの１／２以上である。
【００５９】
第２のスペーサー１０４の厚さＴ２は、カソード２３の厚さ（カソード触媒層２３１の厚さＴＣ１とカソードガス拡散層２３２の厚さＴＣ２との合計値）ＴＣよりも小さく、カソード触媒層２３１の厚さＴＣ１よりも大きい。本実施形態では、第２のスペーサー１０４の厚さＴ２は、カソード２３の厚さＴＣの１／２以上である。さらに、カソード２３を包囲する第２のスペーサー１０４の厚さＴ２は、アノード２２を包囲する第１のスペーサー１０３の厚さＴ１よりも大きい。
【００６０】
第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４は、低弾性率の樹脂で構成されている。なお、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４は、台板１０１と加圧板１０２とにより加圧された際に弾性変形しない材料で構成されていることが望ましい。
【００６１】
以下、膜電極接合体２０の製造方法について説明する。図７は、膜電極接合体２０を製造する手順について説明する工程図である。この図に示すように、まず、積層体２０´を用意する工程を実施する（ステップＳ１）。本工程では、高分子電解質膜２１の一方の主面にアノード触媒層２２１が設けられ、このアノード触媒層２２１の上にアノードガス拡散層２２２が設けられ、高分子電解質膜２１の他方の主面にカソード触媒層２３１が設けられ、このカソード触媒層２３１の上にカソードガス拡散層２３２が設けられた積層体２０´を用意する。この積層体２０´は、例えば、高分子電解質膜２１、アノード触媒層２２１、アノードガス拡散層２２２、カソード触媒層２３１およびカソードガス拡散層２３２における各層間の仮固定や仮接着などにより、各層間の接着強度が十分ではない未完成の膜電極接合体である。ここで、高分子電解質膜２１の外周部には補強層２１１が形成されているところ、高分子電解質膜２１の外周部と補強層２１１との接着強度は十分ではない。
【００６２】
この積層体２０´の生成方法としては、種々の公知の方法を採用できる。例えば、第１の高分子電解質膜の片面にアノード触媒層２２１を形成した高分子電解質膜およびアノード触媒層２２１の積層体と、第２の高分子電解質膜の片面にカソード触媒層２３１を形成した高分子電解質膜およびカソード触媒層２３１の積層体とを、これら積層体の高分子電解質膜同士が接するように重ね合せ、アノード触媒層２２１に撥水性カーボンクロス等のアノードガス拡散層２２２を重ね合せ、カソード触媒層２３１の上に撥水性カーボンペーパー等のカソードガス拡散層２３２を重ね合せる方法等を採用できる。
【００６３】
次に、図６（Ａ）に示すように、積層体２０´、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４を、熱圧着装置１００に配置する工程を実施する（図７のステップＳ２）。本工程では、第２のスペーサー１０４を台板１０１の上面１０１Ａ上に載置し、積層体２０´を、カソード２３が第２のスペーサー１０４内に収まるように、台板１０１の上面１０１Ａに載置する。なお、第２のスペーサー１０４は、予め台板１０１の上面１０１Ａに固定していてもよい。そして、第１のスペーサー１０３を、その開口内にアノード２２が収まるように、高分子電解質膜２１の外周部（補強層２１１）の上に載置する。
【００６４】
次に、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示すように、熱圧着装置１００により積層体２０´を加圧加熱する工程を実施する（図７のステップＳ３）。本工程では、図６（Ｂ）に示すように、加圧板１０２を下降させて積層体２０´をその厚み方向に加圧すると共に、積層体２０´を加熱する。最終的には、図６（Ｃ）に示すように、加圧板１０２を、加圧面１０２Ａが第１のスペーサー１０３の上面に当接し、高分子電解質膜２１の外周部の下面（補強層２１１）が第２のスペーサー１０４の上面に当接する高さまで下降させる。その後、加圧板１０２の下面が第１のスペーサー１０３の上面に当接する高さまで加圧板１０２を下降させる。この状態を所定時間維持し、積層体２０´をその厚み方向に加圧すると共に加熱することにより、積層体２０´の層間を圧着する。これにより、層間の接着強度が十分に高められた膜電極接合体２０が得られる。その後、加圧板１０２を上昇させて、得られた膜電極接合体２０を熱圧着装置１００から取り出す。ここで、ステップＳ３のうち、図６（Ｂ）で示した工程においては、上述した通り、加圧板１０２を下降させて積層体２０´をその厚み方向に加圧する工程と積層体２０´を加熱する工程とは必ずしも同時に実施しなくてもよい。すなわち、加圧板１０２を下降させて積層体２０´をその厚み方向に加圧する工程を実施した後、積層体２０´を加熱する工程を実施してもよく、また、積層体２０´を加熱する工程を実施した後、加圧板１０２を下降させて積層体２０´をその厚み方向に加圧する工程を実施してもよい。
【００６５】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、積層体２０´の層間を熱圧着する工程の比較例を示す断面図である。図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本比較例では、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４を用いずに、積層体２０´を加圧加熱する。ここで、積層体２０´のアノード２２およびカソード２３が存在する領域の厚みが、積層体２０´のアノード２２およびカソード２３が存在しない領域の厚みよりも大きくなっている。このため、図８（Ｂ）に示すように、台板１０１と加圧板１０２とにより積層体２０´を加圧した際、積層体２０´のアノード２２およびカソード２３が存在する領域が集中的に加圧され、積層体２０´のアノード２２およびカソード２３が存在しない外周部は加圧されない。かかる条件において、積層体２０´の層間に十分な圧力と熱とを加えると共に、アノード触媒層２２１、アノードガス拡散層２２２、カソード触媒層２３１、およびカソードガス拡散層２３２に対して過剰に圧力が加わることを防止することができるように、熱圧着装置１００の圧力を調整する必要がある。しかしながら、このような圧力の調整は容易ではないため、アノード触媒層２２１、アノードガス拡散層２２２、カソード触媒層２３１、およびカソードガス拡散層２３２に対して過剰な圧力が作用して、これらの層の細孔が過剰に潰れたり、高分子電解質膜２１の一部（特に中心部）に過剰な圧力が作用して高分子電解質膜２１に変形が生じたりする可能性がある。また、高分子電解質膜２１における補強層２１１が形成された外周部には圧力が作用しないため、補強層２１１が高分子電解質膜２１の外周部に圧着されない。
【００６６】
それに対して、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本実施形態では、積層体２０´の外周部の上に第１のスペーサー１０３を設けたことにより、台板１０１と加圧板１０２とにより積層体２０´を加圧した際、加圧板１０２が第１のスペーサー１０３に当接した段階で、積層体２０´に作用する圧力が、アノード２２が存在する領域とアノード２２が存在しない領域とに分散する。また、加圧板１０２が第１のスペーサー１０３に当接した段階で、アノード２２に作用する圧力の上昇が低減される。また、積層体２０´の外周部の下に第２のスペーサー１０４を設けたことにより、台板１０１と加圧板１０２とにより積層体２０´を加圧した際、高分子電解質膜２１の外周部が第２のスペーサー１０４に当接した段階で、積層体２０´に作用する圧力が、カソード２３が存在する領域とカソード２３が存在しない領域とに分散する。また、高分子電解質膜２１の外周部が第２のスペーサー１０４に当接した段階で、カソード２３に作用した圧力の上昇が低減される。これにより、積層体２０´の層間に十分な圧力と熱とを加えると共に、アノード触媒層２２１、アノードガス拡散層２２２、カソード触媒層２３１、およびカソードガス拡散層２３２に対して過剰に圧力が加わることを防止することができるように、熱圧着装置１００の圧力を調整することを容易に実現できる。従って、アノード触媒層２２１、アノードガス拡散層２２２、カソード触媒層２３１、およびカソードガス拡散層２３２に対して過剰な圧力が作用して、これらの層の細孔が過剰に潰れたり、高分子電解質膜２１の一部（特に中心部）に過剰な圧力が作用して高分子電解質膜２１に変形が生じたりすることを防止できる。また、高分子電解質膜２１とアノード触媒層２２１およびアノードガス拡散層２２２または、カソード触媒層２３１およびカソードガス拡散層２３２との層間を十分に接着できる。この結果、燃料、空気またはプロトンなどの供給効率の低下を抑制出来ることになる為、膜電極接合体２０の発電性能の低下を抑制できる。また、高分子電解質膜２１における補強層２１１が形成された外周部にも圧力が作用するため、積層体２０´の圧着だけでなく補強層２１１を高分子電解質膜２１の外周部に圧着させることができる。
【００６７】
また、本実施形態では、カソード２３を包囲する第２のスペーサー１０４の厚さＴ２は、アノード２２を包囲する第１のスペーサー１０３の厚さＴ１よりも大きい。これにより、カソードガス拡散層２３２の細孔が、アノードガス拡散層２２２の細孔と比較して潰れ難くなる。従って、カソードガス拡散層２３２におけるガス拡散性の確保をより確実に実現できる。
【００６８】
また、本実施形態では、第１のスペーサー１０３を、アノード２２を包囲するように設け、第２のスペーサー１０４を、カソード２３を包囲するように設けた。これにより、積層体２０´の全体に圧力を分散させることができるので、例えばアノード２２およびカソード２３に対して部分的に大きな圧力が作用することを効果的に抑制できる。また、上述した高分子電解質の体積比を変えずにアノード触媒層２２１、アノードガス拡散層２２２、カソード触媒層２３１、およびカソードガス拡散層２３２の細孔径を調整することが可能になるので、比較的容易に膜電極接合体２０を作製することが可能になる。
【００６９】
図９は、燃料電池システム１を示す図である。この図に示す燃料電池システム１は、上述の製造方法により製造された複数の膜電極接合体２０を備える燃料電池スタック１０を備える。本実施形態の燃料電池システム１は、外部負荷と電気的に接続された燃料電池スタック１０と、循環機構９０とを備える。循環機構９０は、燃料タンク８０と、ポンプ８１と、ブロワ８２と、水タンク８３と、ポンプ８４と、メタノールタンク８５と、ポンプ８６とを備える。
【００７０】
燃料タンク８０には、メタノールタンク８５から供給される高濃度のメタノール水溶液又はメタノール原液と、水タンク８３から供給される水とが混合された燃料（液体燃料）が貯蔵されている。
【００７１】
ポンプ８１は、配管Ｆ１を介して燃料電池スタック１０の燃料供給口７５１に、燃料タンク８０から燃料（高濃度のメタノール水溶液を希釈したメタノール水溶液）を供給する。燃料電池１１のアノードから排出される生成物（二酸化炭素等）及び未反応の燃料は、燃料電池スタック１０の燃料排出口７５２に繋がる配管Ｆ２を介して燃料タンク８０に戻される。
【００７２】
ブロワ８２は、配管Ｆ３を介して燃料電池スタック１０の空気供給口７５３に、空気を供給する。このブロワ８２の吸引側には、吸引する空気に含まれる塵埃等を除去するエアフィルタ（不図示）が設けられている。燃料電池１１のカソードから排出される生成物（水、水蒸気、及び二酸化炭素等）、未反応の空気、及び膜電極接合体２０を透過した未反応メタノールは、燃料電池スタック１０の空気排出口７５４に繋がる配管Ｆ４を介して排出設備へ送られる。排出設備では、二酸化炭素等の気相成分を水等の液相成分から分離して、当該気相成分を外部に排出している。
【００７３】
水タンク８３に貯蔵された水は、ポンプ８４により、配管Ｆ５を介して燃料タンク８０に送られる。また、メタノールタンク８５に貯蔵された高濃度のメタノール水溶液又はメタノール原液は、ポンプ８６により、配管Ｆ６を介して燃料タンク８０に送られる。
【００７４】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００７５】
例えば、上述の実施形態では、ダイレクトメタノール型の燃料電池に適用される膜電極接合体を例に挙げて本発明を説明したが、燃料を水素等とする固体高分子型燃料電池等の他の燃料電池に用いられる膜電極接合体にも本発明に係る膜電極接合体の製造方法を適用できる。また、上述の実施形態では、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４を設けたことにより、アノード２２およびカソード２３に過剰な圧力が作用することを防止できるが、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４の双方を設けることは必須ではなく、第２のスペーサー１０４または第１のスペーサー１０３を省略できる場合もある。
【００７６】
また、上述の実施形態では、第１のスペーサー１０３を、アノード２２を包囲するように設け、第２のスペーサー１０４を、カソード２３を包囲するように設けたことにより、全周にわたって一体的に形成されているのでスペ−サーの位置合わせがしやすい、スペーサーが複数個独立に設けられている場合に比べて加熱圧着の際にスペーサーの位置ずれが起こり難いという効果が得られるが、この構成は必須ではない。例えば、図１０に示すように、第１のスペーサー１０３または第２のスペーサー１０４を、積層体２０´の一組の対辺にのみ対応するように設けたり、図１１に示すように、第１のスペーサー１０３または第２のスペーサー１０４を、積層体２０´の一組の対角にのみ対応するように設けたりしてもよい。ここで、第１のスペーサー１０３を、アノード２２を包囲するように設けず、または、第２のスペーサー１０４を、カソード２３を包囲するように設けない場合には、アノード２２またはカソード２３に対して均一に圧力を作用させる観点から、第１のスペーサー１０３または第２のスペーサー１０４を、少なくとも積層体２０´を挟んだ両側に設けることが望ましい。
【００７７】
また、上述の実施形態では、第１のスペーサー１０３を高分子電解質膜２１の外周部の上に載置し、第２のスペーサー１０４を台板１０１の上に載置または固定したが、これは必須ではない。図１２に示すように、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４を、高分子電解質膜２１の補強層２１１と一体で形成してもよい。
【００７８】
また、上述の実施形態では、カソードガス拡散層２３２が台板１０１に接するように膜電極接合体２０を台板１０１の上に載置したが、アノードガス拡散層２２２が台板１０１に接するように膜電極接合体２０を台板１０１の上に載置してもよい。この場合、上述したにステップＳ３おいては、カソードガス拡散層２３２が加圧板１０２の下面に当接することになる。
【００７９】
また、上述の実施形態では、中央部が開口した第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４を用い、この開口した中央部にアノードまたはカソードを通すことで、第１のスペーサー１０３および第２のスペーサー１０４をアノードまたはカソードを包囲するように設置したが、中央部が開口すると共に外周部分と内周部分とをつなぐ切欠き部が存在する第１のスペーサー１０３または第２のスペーサー１０４を用い、切欠き部を広げてその切欠き部にアノードまたはカソードを通すことで、第１のスペーサー１０３または第２のスペーサー１０４をアノードまたはカソードを包囲するように設置してもよい。
【００８０】
上記実施形態における「膜電極接合体２０」が本発明における「膜電極接合体」の一例に相当し、上記実施形態における「高分子電解質膜２１」が本発明における「電解質膜」の一例に相当し、上記実施形態における「アノード触媒層２２１」が本発明における「第１の触媒層」の一例に相当し、上記実施形態における「アノードガス拡散層２２２」が本発明における「第１のガス拡散層」の一例に相当し、上記実施形態における「カソード触媒層２３１」が本発明における「第２の触媒層」の一例に相当し、上記実施形態における「カソードガス拡散層２３２」が本発明における「第２のガス拡散層」の一例に相当し、上記実施形態における「補強層２１１」が本発明における「補強層」の一例に相当し、上記実施形態における「台板１０１」が本発明における「台」の一例に相当し、上記実施形態における「加圧板１０２」が本発明における「加圧部材」の一例に相当する。
【００８１】
上記実施形態における「第１のスペーサー１０３」が本発明における「第１のスペーサー」の一例に相当し、上記実施形態における「第２のスペーサー１０４」が本発明における「第２のスペーサー」の一例に相当する。
【００８２】
上記実施形態における「燃料電池システム１」が本発明における「燃料電池システム」の一例に相当し、上記実施形態における「燃料電池スタック１０」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、上記実施形態における「循環機構９０」が本発明における「循環機構」の一例に相当する。
【符号の説明】
【００８３】
１…燃料電池システム
２…燃料供給側マニホールド
３…燃料排出側マニホールド
４…空気供給側マニホールド
５…空気排出側マニホールド
１０…燃料電池スタック
１１…燃料電池
２０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
２０´…積層体
２１…高分子電解質膜
２１１…補強層
２２…アノード
２２１…アノード触媒層
２２２…アノードガス拡散層
２３…カソード
２３１…カソード触媒層
２３２…カソードガス拡散層
３０…バイポーラプレート
３０１…燃料供給孔
３０２…燃料排出孔
３０３…空気供給孔
３０４…空気排出孔
３１…アノード側流路部
３１１…アノード流路
３２…カソード側流路部
３２１…カソード流路
３４…アノード供給側プレート
３５…アノード排出側プレート
３６…カソード供給側プレート
３７…カソード排出側プレート
４１…燃料供給側シール部材
４２…燃料排出側シール部材
４３…カソード側シール部材
４４…空気供給側シール部材
４５…空気排出側シール部材
４６…アノード側シール部材
７５…エンドプレート
７５１…燃料供給口
７５２…燃料排出口
７５３…空気供給口
７５４…空気排出口
７６…エンドプレート
８０…燃料タンク
８１…ポンプ
８２…ブロワ
８３…水タンク
８４…ポンプ
８５…メタノールタンク
８６…ポンプ
９０…循環機構
Ｆ１〜Ｆ６…配管
１００…熱圧着装置
１０１…台板
１０２…加圧板
１０３…第１のスペーサー
１０４…第２のスペーサー
【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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