(57)【要約】【課題】カソードで生成される水による発電効率の低下を抑制することができる膜電極接合体を提供する。【解決手段】膜電極接合体６０は、電解質膜３０と、電解質膜３０の一方の面に設けられたアノード４０と、電解質膜３０の他方の面に設けられたカソード５０と、を備える。電解質膜３０は、表面にカソード５０が設けられていない電極非形成領域Ｘと、表面にカソードが設けられている電極形成領域Ｙとを有する。電極非形成領域Ｘは、電極形成領域Ｙにおける膜厚より薄く形成されている薄膜領域６２を有する。【選択図】図３
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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、を備え、
前記電解質膜は、表面にカソードが設けられていない電極非形成領域と、表面にカソードが設けられている電極形成領域とを有し、
前記電極非形成領域は、前記電極形成領域における膜厚より薄く形成されている薄膜領域を有することを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記電解質膜と前記アノードと前記カソードとからなるセルが平面状に複数形成され、
隣接する各セルのカソード間に前記薄膜領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記薄膜領域は、前記電解質膜のカソード側の表面が凹んだ凹部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記薄膜領域は、前記電極形成領域に囲まれた直線状の溝部を有することを特徴とする請求項に１乃至３のいずれかに記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記薄膜領域は、前記電極形成領域に囲まれた折れ曲がった溝部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の膜電極接合体。
【請求項６】
前記溝部は、不連続に形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の膜電極接合体。
【請求項７】
前記溝部は、その幅が５μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の膜電極接合体。
【請求項８】
前記薄膜領域は、前記電極形成領域の膜厚の５０％以上の膜厚を有するとともに、前記電極形成領域の膜厚より５μｍ以上薄い膜厚を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の膜電極接合体。
【請求項９】
前記電極形成領域の面積に対する前記薄膜領域の面積の割合は、０．０１以上０．１以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の膜電極接合体。
【請求項１０】
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、を備え、
前記電解質膜は、表面にカソードが設けられていない電極非形成領域と、表面にカソードが設けられている電極形成領域とを有し、
前記電極非形成領域は、隣接する前記電極形成領域における電解質膜の表面より凹んだ凹部を有する薄膜領域が形成されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
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、を備え、
前記電解質膜は、表面にカソードが設けられていない電極非形成領域と、表面にカソードが設けられている電極形成領域とを有する膜電極接合体の製造方法であって、
前記電極形成領域における前記電解質膜より膜厚が薄く表面が露出している薄膜領域を、前記電極非形成領域の一部として形成する薄膜化工程を備えることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項１３】
前記薄膜化工程は、レーザを用いて、カソードまたはアノードとともに電解質膜の表層部を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１４】
前記レーザは、その発振波長が１００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１５】
前記レーザは、その発振波長が１８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１６】
前記レーザのレーザ種はＫｒＦエキシマレーザであることを特徴とする請求項１３に記載の膜電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含む燃料を用いて発電を行う燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【０００４】
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ−・・・・（１）
空気極：１／２Ｏ２+２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・・（２）
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒または触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
【０００５】
アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−６３１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、カソードでは水が生成されるため、この水がカソード上に滞留すると触媒層への空気の拡散が阻害され、発電効率の低下を招くおそれがある。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、カソードで生成される水による発電効率の低下を抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の膜電極接合体は、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、を備える。電解質膜は、表面にカソードが設けられていない電極非形成領域と、表面にカソードが設けられている電極形成領域とを有する。電極非形成領域は、電極形成領域における膜厚より薄く形成されている薄膜領域を有する。
【０００９】
この態様によると、燃料電池に使用した場合、カソードが設けられていない電極非形成領域を有するため、発電中の反応によりカソードで生成される水が電極非形成領域に移動することで、電極形成領域におけるカソードに水が滞留することが抑制される。そのため、カソードへの空気の供給が阻害されにくくなり、発電効率の低下が抑制される。また、電極形成領域における電解質膜の膜厚より薄く形成されている薄膜領域は水が透過しやすいため、カソードで生成された水はアノード側へ移動しやすくなる。その結果、アノードに供給する燃料、例えば、水素を加湿しなくても、電解質膜のアノード側の表面の乾燥を抑制することができる。
【００１０】
上記態様の膜電極接合体において、電解質膜とアノードとカソードとからなるセルが平面状に複数形成され、隣接する各セルのカソード間に薄膜領域が形成されていてもよい。これにより、燃料電池に使用した場合、発電中の反応によりカソードで生成される水がカソード間の電極非形成領域である薄膜領域に移動することで、電極形成領域におけるカソードに水が滞留することが抑制される。そのため、カソードへの空気の供給が阻害されにくくなり、セル全体としての発電効率の低下が抑制される。また、電極形成領域における電解質膜の膜厚より薄く形成されている薄膜領域は水が透過しやすいため、カソードで生成された水はアノード側へ移動しやすくなる。その結果、アノードに供給する燃料、例えば、水素を加湿しなくても、電解質膜のアノード側の表面の乾燥を抑制することができる。
【００１１】
上記態様の膜電極接合体において、薄膜領域は、電解質膜のカソード側の表面が凹んだ凹部が設けられていてもよい。これにより、カソードで生成された水をカソードと接しにくい状態で蓄えることができる。
【００１２】
上記態様の膜電極接合体において、薄膜領域は、電極形成領域に囲まれた直線状の溝部を有してもよい。これにより、簡便に薄膜領域を形成することができる。
【００１３】
上記態様の膜電極接合体において、薄膜領域は、電極形成領域に囲まれた折れ曲がった溝部を有してもよい。これにより、膜電極接合体の強度を向上することができる。
【００１４】
上記態様の膜電極接合体において、アノードおよびカソードの厚さは、それぞれ、５μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。また、溝部は、不連続に形成されていてもよい。これにより、膜電極接合体の強度を向上することができる。ここで、溝部は、その幅が５μｍ以上２００μｍ以下であってもよい。幅が５μｍ以上であれば、膨潤などにより電解質膜が変形した場合でも、溝部が潰れることなく、電極形成領域のカソードで生成した水を十分に薄膜領域に移動することができる。また、幅が２００μｍ以下であれば、出力変動により定格よりも１０％程度生成水の量が増加した場合でも、フラッディングを防ぐことができるとともに、電極形成領域の面積減少を１０％以下に抑えることができる。
【００１５】
上記態様の膜電極接合体において、薄膜領域は、電極形成領域の膜厚の５０％以上の膜厚を有するとともに、電極形成領域の膜厚より５μｍ以上薄い膜厚を有してもよい。これにより、電解質膜全体の強度を維持しつつ、薄膜領域においてカソードで生成された水をアノードへ移動しやすくすることができる。
【００１６】
電極形成領域の面積に対する薄膜領域の面積の割合は、０．０１以上０．１以下であってもよい。これにより、電極形成領域における発電量を確保しつつ、カソードで生成された水が電極形成領域で滞留することを抑制することができる。
【００１７】
本発明の別の態様の膜電極接合体は、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、を備える。電解質膜は、表面にカソードが設けられていない電極非形成領域と、表面にカソードが設けられている電極形成領域とを有する。電極非形成領域は、隣接する電極形成領域における電解質膜の表面より凹んだ凹部を有する薄膜領域が形成されている。
【００１８】
本発明の別の態様は、燃料電池である。この燃料電池は、膜電極接合体を備える。
【００１９】
本発明のさらに別の態様は、膜電極接合体の製造方法である。この方法が好適な膜電極接合体は、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備え、電解質膜は、表面にカソードが設けられていない電極非形成領域と、表面にカソードが設けられている電極形成領域とを有する。そして、この膜電極接合体の製造方法は、電極形成領域における電解質膜より膜厚が薄く表面が露出している薄膜領域を、電極非形成領域の一部として形成する薄膜化工程を備える。
【００２０】
この態様によると、電極形成領域における電解質膜より膜厚が薄く表面が露出している薄膜領域を、電極非形成領域の一部として形成することができるので、燃料電池に使用した場合に電極形成領域におけるカソードでの水の滞留が抑制される膜電極接合体を製造することができる。
【００２１】
薄膜化工程は、発振波長が１００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のレーザを用いて、カソードまたはアノードとともに電解質膜の表層部を除去する工程を含んでもよい。レーザの発振波長が１１００ｎｍ以下であれば、レーザを照射した範囲外の電極形成領域への熱影響を抑えることができる。また、レーザの発振波長が１００ｎｍ以上であれば、カソードまたはアノードを容易に除去することができる。したがって、レーザの発振波長が上記の範囲であれば、電解質膜を貫通することなく、アノードまたはカソードを除去すると同時に薄膜領域を形成することができる。
【００２２】
さらに、薄膜化工程は、発振波長が１８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のレーザを用いて、カソードまたはアノードとともに電解質膜の表層部を除去する工程を含んでもよい。レーザの発振波長が上記の範囲であれば、レーザをより微少な範囲へ集光することが可能であるため、精度よく薄膜領域を形成することができる。例えば、レーザのレーザ種はＫｒＦエキシマレーザであってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、カソードで生成される水による発電効率の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、ノートＰＣ、携帯電話などの携帯機器の電源として好適に用いられる。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料カートリッジ１１０、改質部１２０、燃料電池１０を有する。
【００２６】
燃料カートリッジ１１０は、メタノール、メタン、ブタンなどの炭化水素系燃料を貯留する。燃料カートリッジ１１０は着脱可能であり、炭化水素系燃料が消費され、残量が足りなくなった場合などに、炭化水素系燃料が十分に充填されたカートリッジに交換可能である。燃料カートリッジ１１０から排出された炭化水素系燃料は、配管１１２を経由して、改質部１２０に送出される。なお、燃料カートリッジ１１０と改質部１２０との間に、気化器、脱硫器などの構成を適宜設けてもよい。
【００２７】
改質部１２０は、燃料カートリッジ１１０から送出された炭化水素系燃料を、周知の水蒸気改質により水素を含む改質ガスに変化させる。改質部１２０は、改質ガス中の一酸化炭素および水蒸気を水素および二酸化炭素へ転換するシフト反応器や、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるためのＣＯ除去器をさらに有してもよい。改質部１２０で生成された改質ガスは、配管１２２を経由して、燃料電池１０に供給され、燃料電池１０の発電に必要な燃料ガスとして利用される。
【００２８】
図２は、燃料電池１０の具体的な構成を示す概略断面図である。燃料電池１０は、セル２０ａ、セル２０ｂ、およびセル２０ｃからなる複数のセルが平面状に配列された平面配列モジュール構造を有する。
【００２９】
各セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、それぞれ、ナフィオン（登録商標）などからなる電解質膜３０をアノード４０およびカソード５０で狭持してなる膜電極複合体を含む。このような複合膜構造は、例えば、特開2006-244715に開示されている方法で作製されうる。
【００３０】
アノード４０およびカソード５０を構成する触媒としては、それぞれ、白金、パラジウム、ルテニウム、コバルト、イリジウムなどの金属、およびこれらの金属を組み合わせた合金、あるいはこれらの金属、合金を担持させたカーボンが挙げられる。また、アノード４０およびカソード５０の、それぞれ電解質膜３０に接していない面に、多孔質の電極基材を設けてもよい。電極基材としては、カーボンクロス、カーボンペーパなどが挙げられる。
【００３１】
隣接するセル同士は、集電体、配線（共に図示せず）等の接続部材を用いて直列に接続され、外部に電力を供給可能となっている。
【００３２】
各セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃのアノード側には、燃料室ハウジング４２によって仕切られた燃料室４４ａ，４４ｂ，４４ｃがそれぞれ設けられている。燃料室ハウジング４２には、集電体（図示せず）を介してアノード４０を押さえつけるためのリブ４６が形成されている。これにより、アノード４０と集電体との密着性が向上し、アノード４０における集電性が向上する。
【００３３】
燃料室ハウジング４２のセル２０ａ側の側面部に、改質ガスが供給される燃料取入口４７が設けられている。燃料室４４ａと燃料室４４ｂとは、流路４５ａによって連通されている。また、燃料室４４ｂと燃料室４４ｃとは、流路４５ｂによって連通されている。燃料室ハウジング４２のセル２０ｃ側の側面部に、未反応の改質ガス等が排出される燃料排出口４８が設けられている。このような構成の燃料流通路により、燃料取入口４７から導入された改質ガス流は、燃料室４４ａ、燃料室４４ｂ、燃料室４４ｃを順に流通し、発電に供された後、燃料排出口４８から排出される。
【００３４】
一方、各セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃのカソード側には、空気室ハウジング５２が設けられている。空気室ハウジング５２には、酸化剤流通路としての空気取入口５４が設けられている。空気取入口５４を通って、空気が外部からカソード５０に供給される。なお、図２には示していないが、カソード５０には後述する溝部が形成されている。また、電解質膜３０は、薄膜領域を有する。
【００３５】
次に、各セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃが含む膜電極接合体の構造について説明する。図３（ａ）は、第１の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す膜電極接合体のＡ−Ａ断面図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す膜電極接合体のＢ領域の拡大断面図である。図３（ｄ）は、第１の実施の形態に係る膜電極接合体の変形例におけるＢ領域の拡大断面図である。
【００３６】
本実施の形態に係る膜電極接合体６０は、電解質膜３０と、電解質膜３０の一方の面に設けられたアノード４０と、電解質膜３０の他方の面に設けられたカソード５０と、を備える。電解質膜３０は、表面Ｓにカソード５０が設けられていない電極非形成領域Ｘと、表面Ｓにカソード５０が設けられている電極形成領域Ｙとを有する。本実施の形態に係る電極形成領域Ｙにおける電解質膜３０の膜厚は、２５μｍ以上２００μｍ以下であるとよい。そして、電極非形成領域Ｘは、電極形成領域Ｙにおける膜厚より薄く形成されている薄膜領域６２を有する。
【００３７】
したがって、膜電極接合体６０を上述の燃料電池１０に使用した場合、膜電極接合体６０は、カソード５０が設けられていない電極非形成領域Ｘを有するため、発電中の反応によりカソード５０で生成される水が電極非形成領域Ｘに移動することで、電極形成領域Ｙにおけるカソード５０に水が滞留することが抑制される。そのため、カソード５０への空気の供給が阻害されにくくなり、発電効率の低下が抑制され、高性能を長期間維持することができる。
【００３８】
また、電極形成領域Ｙにおける電解質膜３０の膜厚より薄く形成されている薄膜領域６２は水が透過しやすいため、カソード５０で生成された水はアノード４０側へ移動しやすくなる。その結果、アノード４０に供給する燃料、例えば、水素を加湿しなくても、電解質膜３０のアノード４０側の表面の乾燥を抑制することができる。そのため、燃料電池システム１００において、燃料を加湿するための機構を省略、あるいは簡略化することができ、システムの小型化、コストの低減を図ることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態に係る電極非形成領域Ｘは、隣接する電極形成領域Ｙにおける電解質膜３０の表面Ｓより凹んだ凹部を有する薄膜領域６２が形成されていることになる。具体的には、薄膜領域６２は、図３（ｃ）に示すように、電解質膜３０のカソード５０側の表面Ｓが凹んだ凹部６４が設けられている。これにより、カソード５０で生成された生成水６６をカソード５０と接しにくい状態で蓄えることができる。なお、凹部６４が形成されている薄膜領域６２は、電極形成領域Ｙから離れるにしたがって膜厚が薄くなるように形成してもよい。
【００４０】
また、薄膜領域６２は、図３（ａ）に示すように、電極形成領域Ｙに囲まれた直線状の溝部６８を有している。そのため、溝部６８は、電極形成領域Ｙにおけるカソード５０で生成される水を広範囲にわたって集めることができ、効率よく水をアノード４０側へ透過させることができる。
【００４１】
薄膜領域６２は、電極形成領域Ｙの膜厚の５０％以上の膜厚を有するとよい。これにより、電解質膜３０全体の強度を維持することができる。また、薄膜領域６２は、電極形成領域Ｙの膜厚より５μｍ以上薄い膜厚であるとよい。これにより、薄膜領域６２においてカソード５０で生成された水をアノード４０へ移動しやすくすることができる。
【００４２】
電極形成領域Ｙの面積に対する薄膜領域６２の面積の割合は、０．０１以上であるとよい。これにより、カソード５０で生成された水が電極形成領域Ｙで滞留することを抑制することができる。電極形成領域Ｙの面積に対する薄膜領域６２の面積の割合は、より好ましくは、０．０５以上であるとよい。これにより、カソード５０で生成された水が電極形成領域Ｙで滞留することを十分抑制することができる。また、電極形成領域Ｙの面積に対する薄膜領域６２の面積の割合は０．１以下であるとよい。これにより、電極形成領域Ｙにおける十分な発電量を確保することができる。
【００４３】
なお、図３（ｃ）に示す膜電極接合体においては、薄膜領域６２が電極非形成領域Ｘより狭い幅で形成されているが、図３（ｄ）に示す膜電極接合体のように、薄膜領域６２が電極非形成領域Ｘの幅全域にわたり形成されていてもよい。
【００４４】
薄膜領域６２における凹部６４や溝部６８等の微細加工には、発振波長が１００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のレーザを用いるとよい。これにより、周囲の電極形成領域への熱影響を抑えつつ簡便に薄膜領域を形成することができる。発振波長が上記範囲のレーザとして、具体的には、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ（発振波長１０６４ｎｍ）、およびそれらの第２高調波（５３２ｎｍ）、第３高調波（３５５ｎｍ）、第４高調波（２６６ｎｍ）や、ＸｅＦエキシマレーザ（３５１ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＫｒＣｌエキシマレーザ（２２２ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、Ｘｅ２エキシマレーザ（１７２ｎｍ）、Ｋｒ２エキシマレーザ（１４６ｎｍ）、Ａｒ２エキシマレーザ（１２６ｎｍ）などが挙げられる。さらに、より好ましくは、発振波長が１８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のレーザを用いるとよい。これにより、精度よく薄膜領域を形成することができる。
【００４５】
そして、本実施の形態に係る膜電極接合体の製造方法は、電極形成領域Ｙにおける電解質膜３０より膜厚が薄く表面が露出している薄膜領域６２を、電極非形成領域Ｘの一部として形成する薄膜化工程を含んでいる。
【００４６】
この態様によると、電極形成領域Ｙにおける電解質膜３０より膜厚が薄く表面が露出している薄膜領域６２を、電極非形成領域Ｘの一部として形成することができるので、燃料電池１０に使用した場合に電極形成領域Ｙにおけるカソード５０に水が滞留することが抑制される膜電極接合体６０を製造することができる。
【００４７】
この製造方法では、レーザをカソード５０やアノード４０の上方から所定の領域に照射することで、カソード５０やアノード４０を微細な幅で電解質膜３０に到達する深さまで除去することができる。さらには、カソード５０やアノード４０と同様に電解質膜３０の表層部も微細な幅で除去することで、簡便に精度よく薄膜領域６２を形成することができる。
【００４８】
図９は、各種レーザにより形成された凹部の上面顕微鏡写真およびその状態評価を示した表である。図１０は、図９に示す顕微鏡写真に基づいた模式図である。図９に示す評価項目において、電極除去状態は、レーザによって電極が除去され電解質膜が十分露出しているか否かで判定される。溝部エッジ状態は、電極のうち凹部に対して露出している部分の粗さが十分小さいか否かで判定される。凹部作成状態は、凹部が長手方向にわたって設計通りの形状になっているか否かで判定される。ここで、表中の評価は、◎、○、△の順で良好な状態である。なお、図９の上段の写真は電極がＰｔ−Ｒｕ、下段の写真は電極がＰｔの場合を示している。また、図１０は、図９の下段の各写真に対応した模式図である。以下では、図１０の模式図を中心に説明する。
【００４９】
図１０（ｄ）は、Ｐｔ電極の一部をＹＡＧレーザを用いて除去した場合の模式図である。この図からも明らかなように、凹部６４の底部には、電極の残渣７０が多くあり、また、溝部のエッジ７２の粗さも今回実験した各レーザの中では一番大きい。加えて凹部の形状も不均一であり、凹部作製状態も良好なものとはいえない。これに対して、図１０（ｃ）に示すように、電極の一部をＹＶＯ４第２高調波レーザを用いて除去した場合、凹部６４の底部の少なくとも中央部分には、電極の残渣７０はほとんど見られない。また、溝部のエッジ７２の粗さや凹部作製状態もＹＡＧレーザの場合と比較して良好になっている。
【００５０】
また、図１０（ｂ）に示すように、電極の一部をＹＡＧ第３高調波レーザを用いて除去した場合、ＹＶＯ４第２高調波レーザの場合と比較して、凹部６４には電極の残渣はほとんど見られない。更に、図１０（ａ）に示すように、電極の一部をＫｒＦエキシマレーザを用いて除去した場合、ＹＡＧ第３高調波レーザと比較して、溝部のエッジ７２の粗さが改善される。このように、ＫｒＦエキシマレーザを用いることで、精度よく電極が除去され、均一で設計通りの凹部が形成される。
【００５１】
本実施の形態に係るレーザによる加工条件は、ＫｒＦエキシマレーザの場合、カソード５０やアノード４０の材質や膜厚を考慮して、エネルギー密度が１Ｊ／ｃｍ２〜１０Ｊ／ｃｍ２、ショット数が３ショット〜５０ショットの範囲で適宜選択される。
【００５２】
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。本実施の形態に係る膜電極接合体１６０は、第１の実施の形態に係る膜電極接合体６０の直線的な溝部６８とは異なり、電極形成領域Ｙに囲まれた不連続かつ直線的に配置された溝部１６８が形成されている。これにより、膜電極接合体１６０の強度が向上する。
【００５３】
（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。本実施の形態に係る膜電極接合体２６０は、第１の実施の形態に係る膜電極接合体６０の直線的な溝部６８とは異なり、電極形成領域Ｙに囲まれた連続的かつ折れ曲がった溝部２６８が形成されている。これにより、膜電極接合体２６０の強度が向上する。
【００５４】
（第４の実施の形態）
図６は、第４の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。本実施の形態に係る膜電極接合体３６０は、第１の実施の形態に係る膜電極接合体６０の直線的な溝部６８とは異なり、電極形成領域Ｙに囲まれた不連続かつ折れ曲がったように配置された溝部３６８が形成されている。これにより、膜電極接合体３６０の強度が向上する。
【００５５】
なお、上述の各実施の形態で説明した溝部は、その幅が５μｍ以上２００μｍ以下であるとよい。幅が５μｍ以上であれば、電極形成領域Ｙのカソード５０で生成した水を十分に薄膜領域６２に移動することができる。また、幅が２００μｍ以下であれば、出力変動により定格よりも１０％程度生成水の量が増加した場合でも、フラッディングを防ぐことができるとともに、電極形成領域Ｙの面積減少を１０％以下に抑えることができる。
【００５６】
図１１は、溝部の幅が電池の出力に与える影響を説明するための図である。燃料電池の出力が変動（増加）した場合、生成水の量も変動（増加）するが、携帯機器に適用される燃料電池では生成水を積極的に排出するための機構を持たせることが困難である。そのため、生成水の量の変動がフラッディングに大きな影響を及ぼす。
【００５７】
例えば、予測される出力変動（増加）が１０％程度の場合、生成水の量の変動（増加）も１０％程度であるため、水が通過する領域（カソードの表面積）を１０％増加させることが考えられる。そこで、図１１に示すように、上述の各燃料電池においては、カソード５０の膜厚が１００μｍであり、２ｍｍ幅の各電極形成領域Ｙの間に２００μｍ幅の溝部６８が形成されているとよい。
【００５８】
これにより、溝部６８においてカソード５０の側面５０ａが露出されているため、各電極形成領域Ｙの表面積は、溝部が形成されていない場合と比較して、（２０００＋１００×２）／２０００＝１．１倍となり１０％増加する。したがって、出力が１０％増加しても生成水が排出されるカソードの表面積も増加するので、フラッディングを抑制することができる。なお、溝部６８は電極非形成領域であるため、発電に寄与する面積の割合は２０００／（２０００＋２００）＝０．９１倍となり減少するが、前述のようにカソード５０の表面積を増加することでフラッディングが十分抑えられるので、発電効率の低下が改善される。
【００５９】
（第５の実施の形態）
一般的に、図２に示した燃料電池１０のように、複数のセルを作製するにあたり、一枚の電解質膜の両側に複数のアノードやカソードを等間隔で設ける必要がある。そのためには、各アノードや各カソードごとに加工された部材を精度よく電解質膜の表面に配列し圧着する必要があり、製造工程の増加や生産性の観点から更なる改良が求められている。
【００６０】
また、前述のような方法では、隣接するセルのカソード間やアノード間の間隔を狭くすることが難しく、発電に寄与しない電極非形成領域の面積の割合が大きくなるため、更なる発電効率の向上と小型化の両立が求められている。
【００６１】
そこで、本実施の形態では、上述したＫｒＦエキシマレーザを用いて複数のセルを形成する技術について図７を参照して説明する。図７（ａ）は、第５の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す膜電極接合体のＣ−Ｃ断面図である。図７（ｃ）は、図７（ｂ）に示す膜電極接合体のＤ領域の拡大断面図である。
【００６２】
本実施の形態に係る膜電極接合体４６０は、電解質膜４３０と、電解質膜４３０の一方の面に設けられたアノード４４０と、電解質膜４３０の他方の面に設けられたカソード４５０とからなるセル４２０（４２０ａ，４２０ｂ，４２０ｃ，４２０ｄ）が平面状に複数形成され、隣接する各セル４２０のカソード間に薄膜領域４６２が形成されている。
【００６３】
電解質膜４３０は、表面Ｓにカソード４５０が設けられていない電極非形成領域Ｘと、表面Ｓにカソード４５０が設けられている電極形成領域Ｙとを有する。電極非形成領域Ｘは、電極形成領域Ｙにおける膜厚より薄く形成されている薄膜領域４６２を有する。
【００６４】
したがって、膜電極接合体４６０を上述の燃料電池１０に使用した場合、膜電極接合体４６０は、カソード４５０が設けられていない電極非形成領域Ｘを有するため、発電中の反応によりカソード４５０で生成される水がカソード間の電極非形成領域Ｘである薄膜領域４６２に移動することで、電極形成領域Ｙにおけるカソード４５０に水が滞留することが抑制される。そのため、カソード４５０への空気の供給が阻害されにくくなり、燃料電池全体としての発電効率の低下が抑制される。
【００６５】
また、電極形成領域Ｙにおける電解質膜４３０の膜厚より薄く形成されている薄膜領域４６２は水が透過しやすいため、カソード４５０で生成された水はアノード４４０側へ移動しやすくなる。その結果、アノード４４０に供給する燃料、例えば、水素を加湿しなくても、電解質膜４３０のアノード４４０側の表面の乾燥を抑制することができる。そのため、燃料電池システム１００において、燃料を加湿するための機構を省略、あるいは簡略化することができ、システムの小型化、コストの低減を図ることができる。
【００６６】
薄膜領域４６２は、図７（ｃ）に示すように、電解質膜４３０のカソード４５０側の表面Ｓが凹んだ凹部４６４が設けられている。これにより、カソード４５０で生成された生成水４６６をカソード４５０と接しにくい状態で蓄えることができる。
【００６７】
本実施の形態に係る膜電極接合体４６０を作製する場合、第１の実施の形態で説明したＫｒＦエキシマレーザを用いる。本実施の形態では、一枚の電解質膜の両面にアノードおよびカソードを構成する分割されていない一枚の部材を設けた後に、ＫｒＦエキシマレーザにより各セルに対応するアノードおよびカソードに分離する。これにより、各セル同士の間隔を従来より大幅に狭くすることができ、電極非形成領域Ｘを少なくすることができるため、従来より面積の大きい電極形成領域Ｙを得ることができる。なお、本実施の形態に係るＫｒＦエキシマレーザを用いることで、セル間の間隔を３０μｍ〜３００μｍ程度にすることができる。
【００６８】
上述の方法により、図２に示した燃料電池１０のように、複数のセルを有する膜電極接合体を作製するにあたり、一枚の電解質膜の両側に複数のアノードやカソードを従来よりも狭い間隔で設けることができる。そのため、製造工程の簡略化や生産性の向上が図られる。
【００６９】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、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、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における膜電極接合体の製造方法の順番を適宜組み替えることや、燃料電池や膜電極接合体において各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して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。
【００７０】
例えば、第１の実施の形態に係る燃料電池システムは、改質部１２０を用いて炭化水素系燃料を水素を含む改質ガスに変化させているが、図８に示す燃料電システム２００のように、燃料として水素を主成分としたガスを用いることで改質部が省略された燃料電池システムであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】燃料電池の具体的な構成を示す概略断面図である。
【図３】図３（ａ）は、第１の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す膜電極接合体のＡ−Ａ断面図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す膜電極接合体のＢ領域の拡大断面図である。図３（ｄ）は、第１の実施の形態に係る膜電極接合体の変形例におけるＢ領域の拡大断面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。
【図５】第３の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。
【図６】第４の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。
【図７】図７（ａ）は、第５の実施の形態に係る膜電極接合体の上面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す膜電極接合体のＣ−Ｃ断面図である。図７（ｃ）は、図７（ｂ）に示す膜電極接合体のＤ領域の拡大断面図である。
【図８】第１の実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図９】各種レーザにより形成された凹部の上面顕微鏡写真およびその状態評価を示した表である。
【図１０】図９に示す顕微鏡写真に基づいた模式図である。
【図１１】溝部の幅が電池の出力に与える影響を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０  燃料電池、  ２０ａ  セル、  ３０  電解質膜、  ４０  アノード、  ４６  リブ、  ４７  燃料取入口、  ４８  燃料排出口、  ５０  カソード、  ５４  空気取入口、  ６０  膜電極接合体、  ６２  薄膜領域、  ６４  凹部、  ６６  生成水、  ６８  溝部、  １００  燃料電池システム。  
【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】
2008258142.tif 000009
【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図９】
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