(57)【要約】【課題】膜電極構造体の生産性を向上する。【解決手段】固体高分子電解質膜１１の両側に電極１２，１３を有し一方の前記電極に燃料が供給され他方の前記電極に酸化剤が供給されることにより発電を行う膜電極接合体２と、前記各電極に隣接して設けられ前記燃料および前記酸化剤を拡散させる多孔質体からなる拡散層３，４と、を備えた膜電極構造体７において、膜電極接合体２と拡散層３，４がレーザー溶接により一体化されている。【選択図】　　図２
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【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を有し一方の前記電極に燃料が供給され他方の前記電極に酸化剤が供給されることにより発電を行う膜電極接合体と、前記各電極に隣接して設けられ前記燃料および前記酸化剤を拡散させる多孔質体からなる拡散層と、を備えた膜電極構造体において、
前記膜電極接合体と前記拡散層がレーザー溶接により一体化されていることを特徴とする膜電極構造体。
【請求項２】
固体高分子電解質膜の両側に電極を有し一方の前記電極に燃料が供給され他方の前記電極に酸化剤が供給されることにより発電を行う膜電極接合体と、前記各電極に隣接して設けられ前記燃料および前記酸化剤を拡散させる多孔質体からなる拡散層とを接合して膜電極構造体を製造する方法において、前記膜電極接合体と前記拡散層をレーザー照射により接合したことを特徴とする膜電極構造体の製造方法。
【請求項３】
前記拡散層に厚み方向に貫通する孔部を設け、該孔部を介して前記レーザーを前記膜電極接合体に照射し、該膜電極接合体に対して前記レーザーの照射方向後側の拡散層と該膜電極接合体とを接合することを特徴とする請求項２に記載の膜電極構造体の製造方法。
【請求項４】
前記孔部が設けられた前記拡散層に隣接する前記電極に、前記孔部に重合する孔部を設け、これら孔部を介して前記レーザーを照射することを特徴とする請求項３に記載の膜電極構造体の製造方法。
【請求項５】
前記膜電極接合体の一方の電極に隣接して設けられた拡散層に対する接合位置と、他方の電極に隣接して設けられた拡散層に対する接合位置を互いにずらしたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の膜電極構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の膜電極構造体の両側にセパレータを備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池を複数積層して構成されたことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜型の燃料電池および燃料電池スタックと、その燃料電池において主要構成となる膜電極構造体と、該膜電極構造体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜型の燃料電池は、一般に、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んでなる膜電極接合体と、この膜電極接合体の両側に設けられた多孔質な拡散層と、各拡散層の外側にそれぞれ設けられたセパレータとによって単位燃料電池（単位セル）が構成され、実際の使用では、この単位セルを多数積層してスタックとする場合が多い。
【０００３】
ところで、前記膜電極接合体と拡散層は機械的強度が弱く取り扱いにくく、特に膜電極接合体は厚さが数十μｍと非常に薄いため、単体での取り扱いが極めて困難で作業性が悪い。そのため、一般に、これら膜電極接合体と拡散層とを予め接合して膜電極構造体に形成しておくことによりこれらを取り扱い易くし、その後の単位セルの組み立てあるいはスタックの組み立て等における作業性を上げるようにしている。
【０００４】
従来、前記膜電極接合体と拡散層の接合は、拡散層の表面に接着剤を塗布し、この接着剤層に膜電極接合体を重合させるようにして膜電極接合体の両側に拡散層を配置し、ホットプレスにより圧着して、膜電極接合体とアノード側拡散層とカソード側拡散層とを一体化している。
さらに、前記膜電極構造体を両側からアノード側セパレータとカソード側セパレータで挟み込んだ後、これらセパレータの端部同士をレーザー溶接で接合して単位セルを一体化する場合もある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２５５６１６号公報（段落番号［０００９］［００１０］）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、膜電極接合体と拡散層を接着剤層を挟み圧着してなる従来の膜電極構造体では、接着剤層がガス（燃料や酸化剤）の拡散性を悪化させる。
また、　接着剤層の存在により電気伝導界面が増えることで抵抗増加を招く。さらに、接着層は濃度過電圧および抵抗過電圧を増大させる。
また、ホットプレスは発電時の温度条件を越える高温履歴を膜電極構造体に残す。
【０００７】
一方、この膜電極構造体の製造方法は、接着剤の塗布工程とホットプレス工程が必要で製造工程が多くなり、しかもホットプレスに長時間を要するため、生産性が悪い。また、拡散層は機械的強度が弱く、プレス工程において塑性変形する虞がある。
そこで、この発明は、ガス拡散性の低下や抵抗増加等を招くことがない膜電極構造体と、品質および生産性の向上を図ることができる膜電極構造体の製造方法と、発電性能の高い燃料電池を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施の形態における固体高分子電解質膜１１）の両側に電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極１２、カソード電極１３）を有し一方の前記電極に燃料が供給され他方の前記電極に酸化剤が供給されることにより発電を行う膜電極接合体（例えば、後述する実施の形態における膜電極接合体２）と、前記各電極に隣接して設けられ前記燃料および前記酸化剤を拡散させる多孔質体からなる拡散層（例えば、後述する実施の形態におけるアノード側拡散層３、カソード側拡散層４）と、を備えた膜電極構造体（例えば、後述する実施の形態における膜電極構造体７）において、前記膜電極接合体と前記拡散層がレーザー溶接により一体化されていることを特徴とする。
このように構成することにより、膜電極接合体と拡散層が溶融樹脂の固化により接合されるので、接合部においてガスの拡散性が低下したり、電気抵抗が増加することがない。また、従来よりも濃度過電圧および抵抗過電圧を低減することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施の形態における固体高分子電解質膜１１）の両側に電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極１２、カソード電極１３）を有し一方の前記電極に燃料が供給され他方の前記電極に酸化剤が供給されることにより発電を行う膜電極接合体（例えば、後述する実施の形態における膜電極接合体２）と、前記各電極に隣接して設けられ前記燃料および前記酸化剤を拡散させる多孔質体からなる拡散層（例えば、後述する実施の形態におけるアノード側拡散層３、カソード側拡散層４）とを接合して膜電極構造体（例えば、後述する実施の形態における膜電極構造体７）を製造する方法において、前記膜電極接合体と前記拡散層をレーザー照射により接合したことを特徴とする。
このように構成することにより、製造時に膜電極接合体および拡散層に無用な応力が加わることがないので、機械的強度の弱いこれら部材が製造時に塑性変形することがない。また、製造時に膜電極構造体に加わる熱負荷を微小領域に限定することができる。さらに、製造時間を短縮することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記拡散層に厚み方向に貫通する孔部（例えば、後述する実施の形態における孔部２１，２２）を設け、該孔部を介して前記レーザーを前記膜電極接合体に照射し、該膜電極接合体に対して前記レーザーの照射方向後側の拡散層と該膜電極接合体とを接合することを特徴とする。
このように構成することにより、レーザーを所望する接合部位まで容易に透過させることができるようになる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記孔部が設けられた前記拡散層に隣接する前記電極に、前記孔部に重合する孔部（例えば、後述する実施の形態における孔部１６，１７）を設け、これら孔部を介して前記レーザーを照射することを特徴とする。
このように構成することにより、前記孔部が設けられた前記拡散層に隣接する前記電極を、レーザーが容易に透過することができるようになり、膜電極接合体に対してレーザーの照射方向後側の拡散層と該膜電極接合体とを容易に接合することができるようになる。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４に記載の発明において、前記膜電極接合体の一方の電極に隣接して設けられた拡散層に対する接合位置と、他方の電極に隣接して設けられた拡散層に対する接合位置を互いにずらしたことを特徴とする
このように構成することにより、膜電極接合体の両側に拡散層を容易に接合することができる。
【００１３】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載の膜電極構造体の両側にセパレータを備えたことを特徴とする燃料電池である。
このように構成することにより、膜電極構造体がガス拡散性に優れ、電気抵抗が小さいことから、燃料電池の発電性能が向上し、出力が増大する。
【００１４】
請求項７に係る発明は、請求項６記載の燃料電池を複数積層して構成されたことを特徴とする燃料電池スタックである。
このように構成することにより、燃料電池スタックの発電性能が向上し、出力が増大する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る膜電極構造体およびその製造方法と、膜電極構造体を備えた燃料電池、燃料電池スタックの一実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池スタック（以下、スタックと略す）Ｓの縦断面図である。スタックＳは単位燃料電池（以下、単位セルという）１を多数積層して構成されている。
【００１６】
単位セル１は、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極とを備えた膜電極接合体２と、膜電極接合体２の両側に配置されたアノード側拡散層３およびカソード側拡散層４と、アノード側拡散層３の外側に配置されたアノード側セパレータ５と、カソード側拡散層４の外側に配置されたカソード側セパレータ６と、から構成されている。
ここで、膜電極接合体２とアノード側拡散層３とカソード側拡散層４は予め接合され一体化されて膜電極構造体７とされており、この膜電極構造体７の両側にアノード側セパレータ５とカソード側セパレータ６を取り付けて単位セル１が組み立てられている。
【００１７】
アノード側拡散層３とアノード側セパレータ５の間には燃料流路８が設けられ、カソード側拡散層４とカソード側セパレータ６の間には酸化剤流路９が設けられており、燃料流路８に供給された燃料（例えば水素ガス）はアノード側拡散層３を流通し拡散されて膜電極接合体２のアノード電極に供給され、酸化剤流路９に供給された酸化剤（例えば酸素を含む空気）はカソード側拡散層４を流通し拡散されて膜電極接合体２のカソード電極に供給される。そして、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。
また、隣接する一対の単位セル１，１において互いに当接配置されるアノード側セパレータ５とカソード側セパレータ６の間には、冷却液流路１０が形成されており、冷却液流路１０を流れる冷却液によって単位セル１は冷却される。
【００１８】
次に、図２を参照して、膜電極構造体７を詳細に説明する。
前述したように、膜電極構造体７は、膜電極接合体２の両側にアノード側拡散層３とカソード側拡散層４が接合されて構成されている。
膜電極接合体２は、固体高分子電解質膜１１と、その外側に添設されたアノード電極１２およびカソード電極１３と、を備え、さらに、この実施の形態においてはアノード電極１２およびカソード電極１３の外側に、ガスの拡散性と導電性を上げるためのＣＴ層１４，１５が添設されて構成されている。
【００１９】
固体高分子電解質膜１１は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー（登録商標「ナフィオン」）などの固体ポリマーイオン交換膜等からなり、透明で、レーザーが透過可能である。アノード電極１２およびカソード電極１３は、触媒（例えば、白金Ｐｔ）を担持した炭素およびイオン交換樹脂からなり、黒色で、レーザーを吸収する。ＣＴ層１４，１５は、炭素と四弗化エチレンからなり、黒色で、レーザーを吸収する。
アノード側拡散層３とカソード側拡散層４は、金属製（ステンレス、ハステロイ、インコネル、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉなど）の多孔質体からなり、燃料流路８、酸化剤流路９から供給される燃料ガスや酸化剤ガスを拡散して、アノード電極１２あるいはカソード電極１３の全面に均一に供給する。なお、拡散層３，４の材質は金属製多孔質体に限るものではなく、ガス拡散性を有していればいかなる形態のものでもよい。例えば、カーボンペーパーやカーボン系のフェルトも採用可能である。
【００２０】
次に、この膜電極接合体２の製造方法を、図２および図３を参照して説明する。
まず、固体高分子電解質膜１１の外側にアノード電極１２およびカソード電極１３を添設し、さらにその外側にＣＴ層１４，１５を添設して膜電極接合体２を形成する。その際に、アノード電極１２とその外側に添設したアノード側ＣＴ層１４に、これらを厚み方向（換言すれば、積層方向）に貫通する孔部１６を均一に分散して設ける。図３は、孔部１６を形成した後の膜電極接合体２をアノード側ＣＴ層１４側から見た平面図である。同様に、カソード電極１３とその外側に添設したカソード側ＣＴ層１５にも、これらを厚み方向（積層方法）に貫通する孔部１７を均一に分散して設ける。ただし、アノード側の孔部１６とカソード側の孔部１７は互いに面方向に位置をずらして配置し、両孔部１６，１７が厚み方向一直線上に並ばないようにする。これらの孔部１６，１７を設ける理由は、レーザーを吸収させずに透過させるためである。
【００２１】
また、アノード側拡散層３を用意し、このアノード側拡散層３には、膜電極接合体２におけるアノード側の孔部１６に対応する位置に、その厚み方向（積層方向）に貫通する孔部２１を設ける。同様に、カソード側拡散層４を用意し、このカソード側拡散層４にも、膜電極接合体２におけるカソード側の孔部１７に対応する位置に、その厚み方向（積層方向）に貫通する孔部２２を設ける。
【００２２】
そして、膜電極接合体２のアノード側ＣＴ層１４の外側にアノード側拡散層３を重ね合わせるとともに、カソード側ＣＴ層１５の外側にカソード側拡散層４を重ね合わせる。その際に、膜電極接合体２のアノード側の各孔部１６とアノード側拡散層３の各孔部２１が同心上に重合するように配置するとともに、膜電極接合体２のカソード側の各孔部１７とカソード側拡散層４の各孔部２２が同心上に重合するように配置する。
【００２３】
そして、図示しないレーザー照射装置により、アノード側拡散層３の孔部２１および膜電極接合体２のアノード側の孔部１６を介して、レーザービームを固体高分子電解質膜１１に照射する。固体高分子電解質膜１１に照射されたレーザーは透明な固体高分子電解質膜１１を透過し、カソード電極１３およびカソード側ＣＴ層１５に照射される。ここで、カソード電極１３およびカソード側ＣＴ層１５は黒色であるのでレーザーを吸収して発熱し、カソード電極１３内のイオン交換樹脂およびＣＴ層１５内の四弗化エチレンが溶融し、さらにこの熱を受けて固体高分子電解質膜１１の一部も溶融し、これら溶融した樹脂の一部が近傍のカソード側拡散層４に浸入する。なお、図２において破線で示す部分Ａは溶融した樹脂のおおよそ広がる範囲を示している。そして、レーザーの照射を停止することにより、これら溶融した樹脂が自然冷却されて固化し、その結果、膜電極接合体２とカソード側拡散層４がスポット的に接合される。
すなわち、アノード側拡散層３側からアノード側の孔部２１，１６を介してレーザーを膜電極接合体２に照射し、膜電極接合体２に対してレーザーの照射方向後側の拡散層、つまりカソード側拡散層４と膜電極接合体２とを接合する。
このようにして総ての孔部２１，１６を介してレーザーを照射し、スポット的な接合部を膜電極接合体２において平面方向に均一に分散して多数形成すると、膜電極接合体２とカソード側拡散層４をしっかりと接合し一体化することができる。
【００２４】
同様に、図示しないレーザー照射装置で、総てのカソード側拡散層４の孔部２２および膜電極接合体２のカソード側の孔部１７を介して、レーザービームを固体高分子電解質膜１１に照射することにより、膜電極接合体２とアノード側拡散層３とを接合し一体化する。
なお、この実施の形態では、膜電極接合体２とアノード側拡散層３との接合部と、膜電極接合体２とカソード側拡散層４との接合部を、互いに面方向にずらしているので、固体高分子電解質膜１１の両面での接合が容易にできる。
このようにして、膜電極構造体７の製造が完了する。なお、膜電極接合体２とアノード側拡散層３との接合、および、膜電極接合体２とカソード側拡散層４との接合は、同時に行ってもよいし、前後して順番に行ってもよい。
【００２５】
このようにして製造された膜電極構造体７によれば、膜電極接合体２と両拡散層３，４が溶融樹脂の固化により接合されるので、従来のように接着剤層が存在しない。その結果、接合部においてガスの拡散性が低下したり、電気抵抗が増加することがない。したがって、単位セル１の発電性能が向上し、出力増大を図ることができる。
また、接着剤層の不存在により、濃度過電圧および抵抗過電圧を低減することもできる。これにより、セル性能を向上させることができる。
また、熱負荷がかかるのは、レーザーが照射される微小な接合部に限定され、接合部以外の部分には熱負荷をかけずに済むので、製造時の熱による膜電極構造体７に対する悪影響を最小限に抑えることができる。
【００２６】
また、この膜電極構造体７の製造方法によれば、製造時に膜電極接合体２および両拡散層３，４に応力が加わることもないので、機械的強度の弱いこれら部材が製造時に塑性変形することがない。したがって、膜電極構造体７を設計通りの形状および寸法に製造することができる
また、レーザー照射による接合は極めて短時間で完了させることができるので、製造時間を短縮することができ、生産性が向上する。
【００２７】
なお、この発明における膜電極構造体７の製造に使用可能なレーザーとしては、半導体レーザーが好適であり、そのほかに、気体（Ｈｅ−Ｎｅ、Ａｒ＋　、ＣＯ２）レーザー、固体（ルビー、ガラス）レーザー、液体（有機、色素）レーザー、ＹＡＧレーザー等を用いることも可能である。
また、レーザー溶接に代えて、電子ビーム溶接やＴＩＧ溶接を用いることも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る膜電極構造体の発明によれば、膜電極接合体と拡散層が溶融樹脂の固化により接合されるので、接合部においてガスの拡散性が低下したり、電気抵抗が増加することがなく、膜電極構造体の性能が向上するという優れた効果が奏される。また、従来よりも濃度過電圧および抵抗過電圧を低減することもできるという効果もある。
【００２９】
請求項２に係る膜電極構造体の製造方法の発明によれば、製造時に膜電極接合体および拡散層に無用な応力が加わることがなく、機械的強度の弱いこれら部材が製造時に塑性変形することがないので、設計通りの形状および寸法に製造することができるという優れた効果が奏される。また、製造時に膜電極構造体に加わる熱負荷を微小領域に限定することができるので、製造時の熱による膜電極構造体に対する悪影響を最小限に抑えることができる。また、製造時間を短縮することができるので、生産性が向上する。
【００３０】
請求項３に係る発明によれば、レーザーを所望する接合部位まで容易に透過させることができるようになり、膜電極接合体と拡散層を確実に接合することができるという効果がある。
請求項４に係る発明によれば、孔部が設けられた拡散層に隣接する電極を、レーザーが容易に透過することができるようになり、膜電極接合体に対してレーザーの照射方向後側の拡散層と該膜電極接合体とを容易に接合することができるようになる。
【００３１】
請求項５に係る発明によれば、膜電極接合体の両側に拡散層を容易に接合することができるという効果がある。
請求項６に係る燃料電池の発明によれば、膜電極構造体がガス拡散性に優れ、電気抵抗が小さいことから、燃料電池の発電性能が向上し、出力が増大するという優れた効果が奏される。
請求項７に係る燃料電池スタックの発明によれば、燃料電池スタックの発電性能が向上し、出力が増大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る膜電極構造体を備えた燃料電池スタックの一実施の形態における断面図である。
【図２】この発明に係る膜電極構造体の一実施の形態における断面図である。
【図３】前記膜電極構造体の平面図である。
【符号の説明】
１　単位セル（燃料電池）
２　膜電極接合体
３　アノード側拡散層
４　カソード側拡散層
７　膜電極構造体
１１　固体高分子電解質膜
１２　アノード電極
１３　カソード電極
１６，１７　孔部
２１，２２　孔部
Ｓ　燃料電池スタック
【図１】
2004139828.tif 000003
【図２】
2004139828.tif 000004
【図３】
2004139828.tif 000005