(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質からなる電解質シートと、多孔質の高分子材からなる補強シートと、を加熱して積層して、電解質層と補強層とを含む帯状の積層体を形成する積層工程と、
該積層体の形成後の前記電解質層の表面において、前記積層体の短手方向に沿って、アノード触媒層とカソード触媒層とが形成され、かつ、長手方向に沿って、複数の前記アノード触媒層と複数の前記カソード触媒層が交互に形成されるように、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層とを配置する触媒層配置工程と、
前記アノード触媒層が前記積層体の一方の表面に配置され、前記カソード触媒層が前記積層体の他方の表面に配置されるように、前記長手方向に沿って、前記積層体の補強層側の表面が重なり合うように、前記積層体を折り曲げる第一折り曲げ工程と、
前記第一折り曲げ工程後の前記積層体を前記電解質が溶解するまで加熱して、前記電解質を前記補強層に含浸させる含浸工程と、
前記積層体に含浸された電解質を加水分解する加水分解工程と、
前記加水分解工程後、前記アノード触媒層と、該アノード触媒層に対して長手方向において隣接するカソード触媒層と、が対向するように、前記短手方向に沿って前記積層体を折り曲げる第二折り曲げ工程と、
前記第二の折り曲げ工程後の前記積層体の前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の表面に拡散層を配置すると共に、該拡散層が配置されて対向する前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に、前記アノード触媒層側に燃料ガス流路が位置し、前記カソード触媒層側に酸素ガス流路が位置するように、前記燃料ガス流路及び前記酸素ガス流路が形成されたセパレータを、前記積層体に配置するセパレータ配置工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記積層工程において、前記積層体を形成後の前記補強層の表面に、過酸化水素を水及び酸素に分解してヒドロキシラジカルの発生を抑制するラジカル抑制材、又は水を吸収して保水することが可能な保水材の少なくとも一方を配置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記積層工程において、前記電解質シートと前記補強シートとの間に、過酸化水素を水及び酸素に分解してヒドロキシラジカルの発生を抑制するラジカル抑制材、又は水を吸収して保水することが可能な保水材の少なくとも一方を配置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合型電解質膜、膜電極接合体、燃料電池、及びのこれらの製造方法に係り、特に、多電解質からなる電解質層と、多孔質の高分子材に電解質が含浸された補強層とを少なくとも備えた複合型電解質膜、膜電極接合体、燃料電池、及びのこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温における作動が可能であり、かつ、小型軽量化が可能であるため、自動車などの移動体への適用が検討されている。特に、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車はエコロジーカーとして社会的な関心が高まっている。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池は、図１４に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）９５を主要な構成要素とし、それを燃料（水素）ガス流路および空気ガス流路を備えたセパレータ９６，９６で挟持して、単セルと呼ばれる１つの燃料電池９０を形成している。膜電極接合体９５は、イオン交換膜である電解質膜９１の一方側にアノード側の電極（アノード触媒層）９３ａを積層し、他方の側にカソード側の電極（カソード触媒層）９３ｂを積層した構造であり、アノード触媒層９３ａとカソード触媒層９３ｂには、それぞれ拡散層９４ａ，９４ｂが配置されている。
【０００４】
ところで、電解質膜９１は、膜強度を確保するために、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの多孔質の高分子材からなる補強層を備えており、該補強層には電解質が含浸されている。このような補強層を含む複合型の電解質膜は、例えば、図１３（ａ）に示すようなキャスト成膜法により製造されている（特許文献１参照）。
【０００５】
具体的には、まず、バッキングシート８１を搬送しながら、その一方の面に電解質ポリマと溶媒を調合した電解質を塗布後、乾燥させる。次に、乾燥した電解質層の表面に、多孔質の高分子材からなる補強シート８２を配置する。この配置状態で、電解質層と補強シート８１とを少なくとも加圧することにより、補強シート８２の一方の面から電解質を多孔質の高分子材に含浸させる。さらに、補強シート８２の他方の面に、電解質を塗布し、乾燥させることにより、バッキングシート８１上に、多孔質の高分子材からなる補強層と、該補強層に含浸した電解質とを少なくとも備えた、複合型電解質膜９１を製造することができる。
【０００６】
さらに、このように製造された複合型電解質膜９１は、図１３（ｂ）に示すように、例えば、バッキングシート８１上に形成されたアノード及びカソードの触媒層９３ａ,９３ｂを、冶具を用いて、加熱及び加圧することにより転写し、複合型電解質膜９１の表面にさらに触媒層９３ａ,９３ｂを形成する。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４７２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述したキャスト成膜法は、異なる工程において、補強シートの一方の面と他方の面とに、電解質を含浸させるので、同じ電解質ポリマと溶媒を調合した電解質を用いたとしても、複合型電解質膜の一方の面側と他方の面側の膜特性にばらつきが生じる場合があり、均質な特性を得ることが難しいことがあった。
【０００９】
また、各面に対して電解質を塗布し、溶媒を乾燥させる工程を含むので、精度の高い一定の膜厚を有した電解質膜を得ることが難しい場合があった。さらに、製造機器の精度によっては、塗布した電解質に対して補強シートが所望の箇所からずれる場合もあり、特にアノード及びカソードの触媒層の配置においては、その位置ずれが生じ易い。
【００１０】
このように、電解質膜の両面が、均質な膜特性を得られない場合、及び、電解質膜の厚み及び触媒層の位置の精度が所望の範囲を満たさない場合には、セル製造時の組み付け不良や、燃料電池発電時の性能のばらつきが発生する場合がある。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、膜内の電解質の特性の均一化を図るとともに、安定した寸法精度で製造することができる複合型電解質膜、膜電極接合体、燃料電池、及びのこれらの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決すべく、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法は、電解質からなる電解質シートと、多孔質の高分子材からなる補強シートと、を加熱して積層して、前記電解質層と補強層とを含む積層体を形成する積層工程と、前記積層体の表面が重なり合うように、前記積層体を折り曲げる折り曲げ工程と、折り曲げた積層体を前記電解質が溶解するまで加熱して、前記電解質を前記補強層に含浸させる含浸工程と、前記含浸させた積層体の電解質を加水分解する加水分解工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る複合型電解質膜の製造方法によれば、積層工程において、電解質シートを補強シートに接合することにより一体化して、補強層と電解質層とを含む積層体を形成することができる。積層体が形成されるのであれば、２つのシートの積層方法は特に限定されないが、少なくとも電解質シートを加熱及び加圧して、補強シートの一方の面にその一部を含浸させることが好ましい。
【００１４】
次に、折り曲げ工程において、積層体の表面が重なり合うように、すなわち、補強層側の表面同士又は電解質層側の表面同士が少なくとも重なり合うように、積層体の折り曲げを行う。積層体の折り曲げは、加熱及び加圧することによって、折り曲げにより接触する面を接合することが好ましい。また、積層体の中心軸を中心に２つ折りに折り曲げることが好ましいが、後述する折り曲げ工程を実施後に、電解質膜の両面の電解質が均質となるのであれば、特にその折り曲げ回数、折り曲げ方法は限定されるものではない。
【００１５】
さらに、含浸工程において、折り曲げた積層体を電解質が溶融するまで少なくとも加熱して、電解質を多孔質の補強層に含浸させる。含浸工程においては、積層体を加熱すると共に、加圧を行うことがより好ましい。この結果、積層体の両面には、積層時の１つの電解質シートの電解質が配置されることになる。そして、加水分解工程において、前記積層体に含浸された電解質を加水分解することにより、電解質にイオン交換機能を付与することができる。
【００１６】
このような複合型電解質膜の製造方法は、補強シートの両面に、電解質シートを挟み込むように、３つのシートの位置合わせをする必要がないので、位置合わせの精度が向上し、電解質膜の品質が安定する。また、積層体を折り曲げて、１つの電解質シートの電解質を含浸させるので、複合型電解質膜（電解質膜）の両面に、均質な電解質を配置することができ、さらには、電解質膜の膜厚も安定化する。このようにして、電解質膜内の電解質の特性の均一化を図るとともに、精度の高い電解質膜を得ることができ、燃料電池の性能の安定化を図ることができる。
【００１７】
なお、本発明にいう「電解質シート」及び「補強シート」は、これらを積層後に折り曲げ可能であれば、その形状、膜厚等は特に限定されるものでなく、膜、フィルム等の概念も含むものである。また、「補強シート」とは、電解質膜を補強することを目的とした多孔質の高分子材からなるシートをいい、「補強層」とは、電解質膜を補強することを目的として、少なくとも電解質膜の厚さ方向に形成された前記多孔質の高分子材を有する層をいい、該高分子材に電解質が含浸された層も含む。また、「複合型電解質膜」とは、電解質からなる電解質層と、多孔質の高分子材に電解質が含浸された補強層とを少なくとも備えた層のことをいう。
【００１８】
また、別の態様としては、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法は、前記折り曲げ工程において、電解質層側の表面が重なり合うように、前記積層体の折り曲げを行うことがより好ましい。本発明によれば、折り曲げ工程において、電解質層側の表面が重なり、補強層側が電解質膜の表面となるように、積層体が折り曲げられるため、含浸工程において、電解質膜の厚さ方向の表面近傍の表層部に補強層を配置することができる。この結果、燃料電池の使用時における電解質膜のクリープ性能を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法は、前記折り曲げ工程において、補強層側の表面が重なり合うように、前記積層体の折り曲げを行うことがより好ましい。本発明によれば、折り曲げ工程において、補強層側の表面が重なり、電解質層側が電解質膜の表面となるように、積層体が折り曲げられるため、含浸工程において、厚さ方向における表層に電解質層が形成され、補強層の位置が安定化する。この結果、電解質膜を備えた燃料電池は、表層の電解質層により、発電時における電解質膜の面内の水移動のばらつきが抑制され、さらには、該電解質層と触媒層との密着性を向上させることができ、性能の安定化を図ることができる。
【００２０】
本発明に係る電解質（前駆体ポリマ）としては、熱劣化することが無く、加水分解後にイオン交換機能を付与することができるのであれば、溶融した溶融ポリマであってもよく、例えば、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。例えば、デュポン社製ナフィオン（商標名）、旭化成製アシプレックス（商標名）、旭硝子製フレミオン（商標名）、ジャパンゴアテックス社製ゴア−セレクト（商標名）等が例示され、部分フッ素樹脂では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したものなどがある。また、炭化水素系プロトン交換樹脂である、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ポリイミド系樹脂などにスルホン酸基を導入したものなどがある。これらは燃料電池が用いられる用途や環境に応じて適宜選択されるべきものであるが、パーフルオロ系が燃料電池寿命の点から好ましい。
【００２１】
補強シートとしては、電解質の含浸時に溶解しない必要がある。特に、撥水性の高分子を含むことが好ましい。撥水性の高分子を含む補強シートは、固体高分子型燃料電池における水の結露と滞留が電極反応物を供給する際の妨げとなり効果的である。特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂が高い撥水性を有するため好ましく用いられる。その他、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の非フッ素系フィルムも用いることができる。
【００２２】
また、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法において、前記したように、前記折り曲げ工程において、補強層側の表面が重なり合うように、前記積層体の折り曲げを行った場合には、前記積層工程において、前記積層体を形成後の前記補強層の表面に、過酸化水素を水及び酸素に分解してヒドロキシラジカルの発生を抑制するラジカル抑制材、又は保水材の少なくとも一方を配置することがより好ましい。
【００２３】
また、別の態様としては、前記積層工程において、前記電解質シートと前記補強シートとの間に、過酸化水素を水及び酸素に分解してヒドロキシラジカルの発生を抑制するラジカル抑制材、又は保水材の少なくとも一方を配置してもよい。
【００２４】
本発明によれば、折り曲げ工程においてラジカル抑制材又は保水材の少なくとも一方の添加材を挟み込み、含浸工程において、電解質膜の厚さ方向の中心に、電解質に添加剤が添加されるので、添加材を固定することができる。
【００２５】
この結果、燃料電池の発電時に、水移動時により添加材が移動したり、流失することを抑制することができる。そして、加水分解工程において、電解質膜内の水の移動が行われることにより、ラジカル抑制材を配置した場合には、燃料電池の発電時に、副生成物として生成される過酸化水素を水及び酸素に分解してヒドロキシラジカルの発生を抑制することができ、安定して電解質膜の劣化を抑制することができる。一方、保水材を配置した場合には、水の保水及びその拡散効果を得ることができ、プロトン伝導性の悪化による燃料電池の性能低下を安定的に抑制することができる。
【００２６】
本発明にいう、ラジカル抑制材とは、「燃料電池の発電時に、副生成物として生成される過酸化水素を水及び酸素に分解してヒドロキシラジカルの発生を抑制するための材料」をいい、例えば、セリウム、ルテニウム、銀、タングステン、パラジウム、ロジウム、ジルコニウム、イットリウム、マンガン、モリブデン、鉛、バナジウム、チタンなどの遷移金属の酸化物を挙げることができる。前記保水材としては、水を吸収することが可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリスチレンスルホン酸やセルロース等の吸水性高分子材、シリカやチタニア等の吸水性無機材、などからなる粒子又は繊維などを挙げることができる。
【００２７】
このようなラジカル抑制材及び保水材は、ダイコートまたはスプレーによる塗布、スパッタリング等の物理気相成長法（ＰＶＤ）により、補強層の表面に均一に配置することが可能であり、前述したように折り曲げ工程により挟み込むので、ラジカル抑制材及び保水材は、折り曲げ時に脱離しない程度に、補強層に挟みこむことができるのであれば、その配置方法は特に限定されるものではない。
【００２８】
また、前記ラジカル抑制材及び前記保水材として、微粒子材料を用いる場合には、微粒子材料の粒径は、補強シートに形成された多孔質の気孔径よりも大きいものがより好ましい。このような粒径とすることにより、折り曲げ工程時に、これらの粒子材料を好適に挟み込むことができる。
【００２９】
また、本発明として、燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）の製造方法をも開示する。本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、複合型電解質膜の製造方法を含む燃料電池の膜電極接合体の製造方法であって、前記積層工程において、前記積層体を形成後の前記電解質層の表面に、アノード触媒層とカソード触媒層とを配置し、前記折り曲げ工程において、前記アノード触媒層が前記積層体の一方の表面に配置され、前記カソード触媒層が前記積層体の他方の表面に配置されるように、前記積層体を折り曲げるものである。
【００３０】
本発明に係る膜電極接合体の製造方法によれば、積層工程後の積層体の電解質層が形成された同一面内に、アノード触媒層とカソード触媒層を形成するので、これら触媒層を正確に配置することができる。この結果、前記折り曲げ工程において、積層体の折り曲げ位置の精度を保つことができれば、アノード触媒層とカソード触媒層の位置関係のずれを抑制することができる。そして、触媒層形成後に、前述した拡散層を配置することができる。このようにして製造された膜電極接合体を用いることにより、燃料電池のセルとして組み付けた場合の組み付け不良、燃料電池の発電時の性能のばらつきを抑制することができる。
【００３１】
また、別の好ましい態様の膜電極接合体（ＭＥＡ）の製造方法としては、前記複合型電解質膜の製造方法を含む膜電極接合体の製造方法であって、前記積層工程において、帯状に積層体を形成し、該積層体の形成後の前記電解質層の表面において、前記積層体の短手方向に沿って、アノード触媒層とカソード触媒層とが形成され、かつ、長手方向に沿って、複数の前記アノード触媒層と複数の前記カソード触媒層が交互に形成されるように、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層とを配置し、前記折り曲げ工程において、前記アノード触媒層が前記積層体の一方の表面に配置され、前記カソード触媒層が前記積層体の他方の表面に配置されるように、前記長手方向に沿って前記積層体を折り曲げることがより好ましい。
【００３２】
本発明に係る膜電極接合体の製造方法によれば、積層工程後の積層体の電解質層が形成された同一面内に、短手方向に沿ってアノード触媒層とカソード触媒層を形成するので、複合型電解質膜を挟み込むように、これら触媒層を位置ずれなく正確に配置することができる。この結果、前記折り曲げ工程において、積層体の折り曲げ位置の精度を保つことができれば、アノード触媒層とカソード触媒層の位置関係のずれを抑制することができ、燃料電池のセルとして組み付けた場合の組み付け不良、燃料電池の発電時の性能のばらつきを抑制することができる。
【００３３】
また、長手方向に沿って、複数のアノード触媒層と複数のカソード触媒層が交互に形成されるようにアノード触媒層とカソード触媒層とを配置して前記折り曲げ工程を行うので、帯状になった複数の膜電極接合体を同時に製造することができる。
【００３４】
本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、前記加水分解工程後、前記アノード触媒層と、該アノード触媒層に対して長手方向において隣接するカソード触媒層と、が対向するように、前記短手方向に沿って、前記積層体を折り曲げる第二折り曲げ工程をさらに含むことがより好ましい。
【００３５】
本発明によれば、前記製造方法により製造された帯状の膜電極接合体に対して、前記第二の折り曲げ工程を行うとことにより、これらの対向する触媒層の間にセパレータを配置すれば、複数の膜電極接合体を枚葉する（積層する）ことなく、１つの膜電極接合体から、位置ずれなく触媒層が形成された燃料電池のセル化を容易に図ることが可能となる。
【００３６】
さらに、長手方向に沿って、複数の前記アノード触媒層と複数の前記カソード触媒層が交互に形成されており、この結果、長手方向の隣接するアノード触媒層には必ずカソード触媒層が形成されているので、前記第二の折り曲げ工程を行うことにより、同一方向に表面を有する複数のアノード触媒層が形成され、これとは反対の同一方向に表面を有する複数のカソード触媒層が形成されることになる。この結果、従来の工法により、複数の膜電極接合体を積層する場合に、膜電極接合体のアノード触媒層とカソード触媒層の組み付けミスを確実に防止することができる。
【００３７】
また、本発明として、前記膜電極接合体の製造方法を用いた好適な燃料電池の製造方法をも開示する。本発明に係る燃料電池の製造方法は、膜電極接合体の製造方法を含む、燃料電池の製造方法であって、前記第二の折り曲げ工程後の膜電極接合体の前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の表面に拡散層を配置すると共に、該拡散層が配置された対向した前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の間に、前記アノード触媒層側に燃料ガス流路が位置し、前記カソード触媒層側に酸素ガス流路が位置するように、燃料ガス流路及び酸素ガス流路が形成されたセパレータを配置する工程を含むことがより好ましい。
【００３８】
本発明に係る燃料電池の製造方法によれば、前記折り曲げ工程後の膜電極接合体の短手方向の折れ目に向かってセパレータを差し込むように配置することができ、燃料電池のセル化を容易に行なうことができる。すなわち、複数の膜電極接合体同士の間にセパレータを配置する従来の方法に比べて、製造工数を削減することができると共に、第二の折り曲げ工程後連続してセパレータを配置することができるので、燃料電池のセル化において、コンタミの混入を抑制することができる。
【００３９】
また、拡散層とセパレータとを配置する際には、拡散層を表面に形成したセパレータを、膜電極接合体に配置することにより、同時に拡散層とセパレータとを膜電極接合体に配置することができるので好適である。しかしながら、この方法に限定されるものではなく、膜電極接合体に拡散層とセパレータと配置し燃料電池を製造することができるのであれば、これらを別個に配置してもよい。
【００４０】
また、前記触媒層の配置を、スプレーにより触媒を吹き付けることにより行ってもよく、バッキングシートに触媒層を配置し、該触媒層を電解質層に、冶具又はコートダイなどを用いることにより加熱及び加圧により転写してもよい。尚、触媒層のアイオノマーも前駆体ポリマを用いれば、その後の含浸工程において、アイオノマーの熱的劣化もなく、好適に膜電極接合体を製造することができる。より好ましくは、触媒層に含まれる電解質は、フッ素系の電解質の前駆体である。
【００４１】
また、拡散層としては、燃料電池に一般に用いられるガス拡散層が特に制限されることなく用いられる。例えば、導電性物質を主たる構成材とする多孔質導電シート、炭素繊維のシート等があげられ、これらに、疎水性樹脂を結着材として炭素粒子などの導電性粒子をさらに付着させてもよい。さらに、セパレータは、前記ガス流路が形成されているほかにも、発電時に生成される水を排出する構造、発電時における燃料電池の発熱を抑制すべく冷却剤を循環させる構造など、適宜設けてもよい。
【００４２】
本発明において、前記製造方法により好適に製造された複合型電解質膜をも開示する。本発明に係る複合型電解質膜は、電解質からなる電解質層と、多孔質の高分子材に電解質が含浸された補強層とを少なくとも備えた複合型電解質膜であって、該複合型電解質膜は、過酸化水素を水及び酸素に分解してヒドロキシラジカルの発生を抑制するラジカル抑制材、又は保水材を前記電解質に添加した添加層と、該添加層を挟むように、形成された前記補強層と、該各補強層の表面に対して形成された前記電解質層と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【００４３】
また、本発明に係る複合型電解質膜は、電解質からなる電解質層と、多孔質の高分子材に電解質が含浸された補強層とを少なくとも備えた複合型電解質膜であって、該複合型電解質膜は、前記電解質層としての第一電解質層と、該第一電解質層を挟むように形成された、過酸化水素を水及び酸素に分解してヒドロキシラジカルの発生を抑制するラジカル抑制材、又は保水材を前記電解質に添加した添加層と、該各々の添加層の表面に対して形成された前記補強層と、該各々の補強層の表面に対して形成された前記電解質層としての第二の電解質層と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【００４４】
本発明に係る複合型電解質膜によれば、前述したように、ラジカル抑制材又は保水材の少なくとも一方の添加材を添加した添加層を形成することにより、燃料電池の発電時に、水移動時によりこれらの材料が移動したり、流失したりすることを抑制することができる。
【００４５】
本発明に係る膜電極接合体は、多孔質の高分子材からなる補強材シートに電解質からなる電解質シートが含浸された複合型電解質膜または前記発明に係る複合型電解質膜と、該複合型電解膜を挟み込むように、該複合型電解質膜の両面に配置された一対のアノード触媒層とカソード触媒層とを、少なくとも備える膜電極接合体であって、該膜電極接合体は、帯状の膜電極接合体であり、該膜電極接合体の表面には、長手方向に沿って、複数の前記アノード触媒層と複数の前記カソード触媒層が交互に形成されている。
【００４６】
本発明に係る膜電極接合体によれば、長手方向に沿って、膜電極接合体の表面に、複数のアノード触媒層と複数のカソード触媒層とが交互に形成されているので、前記アノード触媒層と、該アノード触媒層に対して長手方向において隣接するカソード触媒層と、が対向するように、前記短手方向に沿って、膜電極接合体を折り曲げることができる。このようにして折り曲げられた膜電極接合体は、同一方向に表面を有する複数のアノード触媒層が形成され、これとは反対の同一方向に表面を有する複数のカソード触媒層が形成されることになる。
【００４７】
本発明に係る膜電極接合体は、前記アノード触媒層と、該アノード触媒層に対して長手方向において隣接するカソード触媒層と、が対向するように、前記短手方向に沿って折れ曲がっていることがより好ましい。
【００４８】
本発明に係る膜電極接合体は、同一方向に表面を有する複数のアノード触媒層が形成され、これとは反対の同一方向に表面を有する複数のカソード触媒層が形成された構造体となっているので、拡散層及びセパレータを、膜電極接合体の折れ曲がった部分に配置することにより、従来のように膜電極接合体の組み付け不良なく容易に燃料電池を製造することができる。
【００４９】
本発明に係る燃料電池は、前記膜電極接合体を含む燃料電池であって、該燃料電池は、前記膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の表面に配置された拡散層と、該拡散層が配置されて対向する前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の間において、少なくとも前記アノード触媒層側に燃料ガス流路が形成され、かつ、前記カソード触媒層側に酸素ガス流路が形成されたセパレータとを、備えることが好ましい。本発明によれば、膜電極接合体の短手方向に沿った折れ曲がった部分（燃料電池の単セル同士を連結する電解質膜の部分）を切断することにより、所望のセル数の燃料電池を容易に得ることができる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、膜内の電解質の特性の均一化を図るとともに、安定した寸法精度の複合型電解質膜を得ることができる。また、複合型電解質膜を位置ずれなく挟み込むようにアノード触媒層とカソード触媒層が形成された膜電極接合体を得ることができる。さらに、コンタミの少ない、所望のセル数の燃料電池を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下に、図面を参照して、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法のいくつかの実施形態に基づいて説明する。
【００５２】
図１は、第一の実施形態に係る複合型電解質膜（電解質膜）の製造方法を示した模式図であり、図２は、図１に示す製造方法を実施するための製造装置の模式図である。
【００５３】
図１及び２に示すように、まず、帯状の電解質からなるシート（電解質シート）１１と、多孔質の高分子材であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる帯状の補強シート１２とを準備し、積層工程Ａを行う。具体的には、積層工程Ａにおいて、電解質シート１１と補強シート１２とを加熱して積層し、電解質シート１１を電解質層１１ａとし、補強シート１２を補強層１２ａとした積層体１０Ａを製造する。
【００５４】
２つのシートの積層方法は、張り合わせ又は含浸により行うことができ、より詳細には、図２に示すように、例えば、電解質シート１１と補強シート１２とを、一対のローラ３１ａ，３１ｂを用いて挟み込んで加熱及び加圧することにより、補強シート１２の一方の面にその一部を含浸させる。このときの加熱をする温度は、１００〜２８０℃の範囲内で行うことがより好ましい。この結果、電解質シート１１及び補強シート１２を一体化することができる。なお、電解質シート１１の代わりに溶融状態の電解質を用いてもよい。
【００５５】
次に、積層工程Ａにより製造された積層体１０Ａに対して、折り曲げ工程Ｂを行う。具体的には、積層体１０Ａの補強層１２ａ側の表面（補強層表面）が重なり合うように、積層体１０Ａの中心線Ｌに沿って、中央部で積層体１０Ａを折り曲げ、積層体１０Ｂを製造する。
【００５６】
より詳細には、図２に示すように、積層体１０Ａの搬送方向（ＭＤ方向）に沿って回転するＶ字型の凹凸の付いたローラ３２ａ，３２ｂで、積層体１０Ａの幅方向中心において積層体１０Ａを折り曲げることができる。さらに、積層体１０Ａの補強層１２ａが重なり合うよう、ローラ３３ａ，３３ｂを用いてＶ字状に変形した積層体１０Ａをさらに折り曲げると共に、該ローラ３３ａ，３３ｂにより加熱及び加圧することにより、補強層１２ａ同士の表面を接合する。このときの積層体１０Ａを加熱する温度は、１００〜２８０℃の範囲内で行うことがより好ましい。
【００５７】
次に、折り曲げ工程Ｂにより製造された積層体１０Ｂをローラ３４ａ，３４ｂで９０°反転させて、積層体１０Ｂに対して含浸工程Ｃを行う。具体的には、積層体１０Ｂを電解質が溶融するまで加熱及び加圧して、電解質を補強層１２ａに含浸させ、積層体１０Ｃを製造する。
【００５８】
より詳細には、図２に示すように、積層体１０Ｂの搬送方向に沿って回転する加熱加圧ローラ３５ａ，３５ｂで、積層体１０Ｂの表面の電解質層１１ａの電解質を、補強層１２ａの多孔質の空孔に含浸し、電解質が含浸された補強層１２ｂを得ることができる。このときの積層体１０Ｂを加熱する温度は、２００〜２８０℃の範囲内で行うことがより好ましい。
【００５９】
そして、含浸工程Ｃにより製造された積層体１０Ｃに対して、加水分解工程Ｄを行い、積層体１０Ｃの電解質にイオン交換機能を付与し、複合型電解質膜１００Ａを得ることができる。なお、図２に示すように、加水分解工程後は、複合型電解質膜１００Ａを乾燥させて、シート状の電解質膜１００Ａを巻き取り装置（図示せず）により、巻き取ってもよい。
【００６０】
このようにして得られた複合型電解質膜１００Ａは、電解質シート１１及び補強シート１２の２つのシートのみから製造されるので、シート同士の位置合わせがし易く、電解質膜の品質が安定する。また、積層体１０Ａを折り曲げて、１つの電解質シート１１の電解質を含浸させることができる。この結果、複合型電解質膜１００Ａの両面には、同じ電解質シート１１を構成する均質な電解質が配置され、電解質膜の膜厚も安定化する。このようにして、電解質膜内の電解質の特性の均一化を図るとともに、精度の高い電解質膜を得ることができ、燃料電池の性能の安定化を図ることができる。
【００６１】
また、折り曲げ工程Ｂにおいて、補強層１２ａ側の表面（補強層表面）が重なり、電解質層１１ａ側の表面（電解質表面）が積層体１０Ｂの表面となるので、含浸工程Ｃにおいて、厚さ方向における表層に電解質層１１ａが形成され、補強層１２ａの位置が安定化する。この結果、電解質膜１００Ａを備えた燃料電池は、表層の電解質層１１ａにより、発電時における電解質膜１００Ａの面内の水移動のばらつきが抑制され、さらには、電解質膜１００Ａと触媒層（図示せず）との密着性を向上させることができ、性能の安定化を図ることができる。
【００６２】
さらに、図２に示す製造方法により複合型電解質膜１００Ａを製造すれば、積層工程は、２つの部材の接合のみでよく、さらには積層工程から加水分解工程まで一連の工程として行うことができるので、工程が単純化され、品質管理のし易く、量産性を向上させることができる。
【００６３】
図３は、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法の第二実施形態を示した図である。図１に示す第一実施形態と相違する点は、触媒層１３ａ，１３ｂを配置した点であり、図３は、膜電極接合体（ＭＥＡ）５０Ａの触媒層を形成するまでの工程を示したものである。第二実施形態に係る製造方法は、積層工程、折り曲げ工程、含浸工程、及び加水分解工程を含んでおり、これらは同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００６４】
図３に示すように、積層工程Ａにおいて、電解質シート１１と補強シート１２とを接合して積層し、電解質層１１ａ及び補強層１２ａからなる積層体１０Ａを製造する。次に、積層体１０Ａを形成後の電解質層１１ａの表面に、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂとを配置し、触媒層１３ａ，１３ｂが形成された積層体１０Ｄを製造する。
【００６５】
具体的には、触媒層を配置する工程Ｊにおいて、触媒層１３ａ，１３ｂの配置を、触媒をスプレーにより吹き付けることにより行ってもよく、バッキングシートに触媒層を配置し、該触媒層を電解質層に、冶具又はコートダイなどを用いて加熱及び加圧により転写してもよい。尚、触媒層のアイオノマーも前駆体ポリマを用いれば、その後の含浸工程において、アイオノマーの熱的劣化もなくより好ましい。
【００６６】
次に、折り曲げ工程Ｂにおいて、アノード触媒層１３ａが積層体１０Ｅの一方の表面に配置され、カソード触媒層１３ｂが積層体１０Ｅの他方の表面に配置されるように、積層体１０Ｄを折り曲げる。その後、含浸工程Ｃにおいて、電解質を補強層１２ａに含浸させ、積層体１０Ｆを製造し、加水分解工程Ｄにおいて、積層体１０Ｆの電解質にイオン交換機能を付与して、複合型電解質膜１００Ｂを含む膜電極接合体５０Ａを得ることができる。
【００６７】
上記の複合型電解質膜１００Ｂ及び膜電極接合体５０Ａの製造方法によれば、積層工程Ａ後の積層体１０Ａの電解質層１１ａが形成された同一面内に、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂを形成するので、これら触媒層１３ａ，１３ｂを正確に配置することができる。この結果として、折り曲げ工程Ｂにおいて、積層体１０Ｄの折り曲げ位置の精度を保つことができれば、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂの位置ずれを抑制することができる。
【００６８】
そして、このようにして製造された電解質膜１００Ｂを含む膜電極接合体５０Ａを燃料電池に用いることにより、燃料電池のセルとしての組み付けた場合の組み付け不良、燃料電池の発電時の性能のばらつきを抑制することができる。特に、表層に電解質層１１ａが安定して形成されるので、電解質層１１ａと触媒層１３ａ，１３ｂとの密着性を向上させることができる。
【００６９】
図４は、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法の第三実施形態を示した図である。第三の実施形態に係る製造方法が、図１に示す第一実施形態のものと相違する点は、折り曲げ工程Ｂにおける折り曲げ方向が異なる点である。なお、第三実施形態に係る製造方法は、積層工程、含浸工程、及び加水分解工程を含んでおり、これらは同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７０】
図４に示すように、積層工程Ａにおいて、電解質シート１１と補強シート１２とを接合して積層し、電解質層１１ａ及び補強層１２ａからなる積層体１０Ａを製造する。次に、積層工程Ａにより製造された積層体１０Ａに対して、折り曲げ工程Ｂを行う。具体的には、積層体１０Ａの電解質層１１ａ側の表面（電解質層表面）が重なり合うように、積層体１０Ａの中心線Ｌに沿って、中央部で積層体１０Ａを折り曲げ、積層体１０Ｇを製造する。
【００７１】
その後、含浸工程Ｃにおいて、電解質を補強層１２ａに含浸させ、積層体１０Ｈを製造し、加水分解工程Ｄにおいて、積層体１０Ｈの電解質にイオン交換機能を付与して、複合型電解質膜１００Ｃを得ることができる。
【００７２】
上記の複合型電解質膜１００Ｃの製造方法によれば、折り曲げ工程Ｂにおいて、電解質層１１ａの表面が重なり、補強層１２ａが電解質膜の表面となるように、積層体１０Ａが折り曲げられるため、複合型電解質膜１００Ｃの厚み方向中心に、電解質層１１ｂが形成され、電解質膜の厚さ方向の表面近傍の表層部に電解質が含浸された補強層１２ｂを配置させることができる。この結果、燃料電池の使用時における電解質膜１００Ｃのクリープ性能を向上させることができる。
【００７３】
図５は、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法の第四実施形態を示した図であり、図６は、図５に示す製造方法を実施するための製造装置の模式図である。第四実施形態に係る製造方法が、第一実施形態のものと相違する点は、積層工程後に保水材を配置した点が相違する。なお、第四実施形態に係る製造方法は、積層工程、含浸工程、及び加水分解工程を含んでおり、これらは同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７４】
図５に示すように、積層工程Ａにおいて、電解質シート１１と補強シート１２とを接合して積層し、電解質層１１ａ及び補強層１２ａからなる積層体１０Ａを製造する。次に、保水材配置工程Ｋにおいて、積層体１０Ａを形成後の補強層１２ａの表面に、保水材１４を配置する。具体的には、図６に示すように、ダイコートまたはスプレーによる塗布、スパッタリング等により、補強層１２ａの表面に均一に配置するにより保水材１４を塗布する。具体的には、後述する折り曲げ工程Ｂにより保水材を補強層間に挟み込むので、保水材は、折り曲げ時に脱離しない程度に密着されることが好ましい。なお保水材として、微粒子材料を用いる場合には、前述したように、折り曲げ時の挟み込みを行うためには、補強シートに形成された多孔質の気孔径よりも大きいものがより好ましい。
【００７５】
そして、折り曲げ工程Ｂにおいて、補強層側の表面が重なり合うように補強層１２ａの間に保水材１４を挟み込んで、積層体１０Ｉを折り曲げて積層体１０Ｊを製造する。含浸工程Ｃにおいて、電解質層１１ａの電解質を、保水材１４及び補強層１２ａに含浸させて積層体１０Ｋを製造し、加水分解工程Ｄにおいて積層体１０Ｋの電解質の加水分解を行ってイオン交換機能を付与し、複合型電解質膜１００Ｄを得る。
【００７６】
このようにして図５に示すように、膜厚方向に沿って、電解質に保水材１４を添加材として添加した添加層１４ｂと、添加層１４ｂを挟むように形成されて電解質が含浸した補強層１２ｂ，１２ｂと、該各補強層１２ｂ，１２ｂの表面に対して形成された電解質層１１ａ，１１ａと、を少なくとも備えた複合型電解質膜１００Ｄを得ることができる。
【００７７】
このように製造された複合型電解質膜１００Ｄは、保水材１４を添加材として、折り曲げ時に挟み込むことにより、電解質膜１００Ｄの厚さ方向の中心に保水材を固定することができる。この結果、燃料電池の発電時に、水移動時により保水材１４が移動したり、流失したりすることを抑制することができ、プロトン伝導性を安定的に確保することができる。
【００７８】
図７は、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法の第五実施形態を示した図である。第五実施形態に係る製造方法が、第四実施形態のものと相違する点は、積層工程時に、触媒層が相違する。なお、第四実施形態に係る製造方法は、含浸工程、折り曲げ工程、及び加水分解工程を含んでおり、これらは同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７９】
図７に示すように、積層工程Ａ１において、電解質シート１１と補強シート１２とを接合して積層し、これと同時に、電解質シート１１の他方の表面から、バッキングシート８１に配置されたアノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｂを配置し、積層体１０Ｌを製造する。
【００８０】
そして、上述したように、保水材配置工程Ｋ、折り曲げ工程Ｂ、含浸工程Ｃ、及び加水分解工程Ｄを経て、複合型電解質膜１００Ｅを含む膜電極接合体５０Ｂを得ることができる。この際、バッキングシート８１は、含浸工程後に、積層体１０Ｋから取り外し、加水分解工程後、積層体１０Ｆの電解質にイオン交換機能を付与して、複合型電解質膜１００Ｅを含む膜電極接合体５０Ｂを得ることができる。
【００８１】
このようにして、第二実施形態と同様に、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂの位置ずれを抑制することができ、燃料電池のセルの組み付け不良、燃料電池の発電時の性能のばらつきを抑制することができる。このように製造された複合型電解質膜１００Ｅは、電解質膜１００Ｅの厚さ方向の中心に保水材を固定することができる。この結果、燃料電池の発電時に、水移動時により保水材１４が移動したり、流失したりすることを抑制することができる。この結果、安定的にプロトン伝導性を確保することができる。
【００８２】
図８は、本発明に係る複合型電解質膜の製造方法の第六実施形態を示した図である。第六実施形態に係る製造方法が、第四実施形態のものと相違する点は、積層工程前に保水材を配置した点が相違する。なお、第四実施形態に係る製造方法は、折り曲げ工程、含浸工程、及び加水分解工程を含んでおり、これらは同じ符号を付して、その詳細な説明は、省略する。
【００８３】
図８に示すように、積層工程の前工程として、まず保水材１４を配置する。配置方法は、前記実施形態と同様である。そして、積層工程Ａ２において、電解質シート１１と補強シート１２との間に保水材１４が配置されるように、電解質シート１１と補強シート１２を接合する。該接合は、電解質シート１１の電解質を補強シート１２の片側から含浸するようにして行うので、接合後の積層体１０Ｐには、電解質層１１ａと補強層１２ａとの間には、保水材１４を添加材として電解質に添加された添加層１４ｂが形成される。その後、折り曲げ工程Ｂ、含浸工程Ｃ、及び加水分解工程Ｄを経て、複合型電解質膜１００Ｆを得ることができる。
【００８４】
このようにして図８に示すように、膜厚方向に、電解質層としての第一の電解質層１１ａと、第一の電解質層１１ａを挟むように形成された、保水材を添加材として電解質に添加された添加層１４ｂ，１４ｂと、該各々の添加層１４ｂの表面に対して形成されて電解質が含浸した補強層１２ｂ，１２ｂと、該各々の補強層１２ｂの表面に対して形成された、第二の電解質層１１ｂ，１１ｂと、を備えた複合型電解質膜１００Ｆを得ることができる。
【００８５】
このようにして得られた複合型電解質膜１００Ｆは、折り曲げ工程Ｂにおいて、電解質層１１ａの表面が重なり、補強層１２ａが電解質膜の表面となるように、積層体１０Ａが折り曲げられるため、複合型電解質膜１００Ｆの厚み方向中心に、電解質層１１ａが形成され、電解質膜の厚さ方向の表面近傍の表層部に電解質が含浸された補強層１２ｂを配置し、さらにその近傍に添加層１４ｂを配置させることができる。この結果、燃料電池の使用時における電解質膜１００Ｆのクリープ性能を向上させることができるばかりでなく、電解質膜１００Ｆの保水性をさらに高めることができる。
【００８６】
図９は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示した模式図であり、図９に示す膜電極接合体に対する第二の折り曲げを説明するための図である。図９に示すように、前記いくつかの実施形態と同様に、帯状の電解質からなるシート（電解質シート）１１と、多孔質の高分子材であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる帯状の補強シート１２とを準備する。次に、積層工程Ａにおいて、電解質シート１１と補強シート１２とを加熱及び加圧して積層し、電解質シートを電解質層１１ａとし、補強シート１２を補強層１２ａとした積層体１０Ａを製造する。
【００８７】
そして、積層体１０Ａを形成後の電解質層１１ａの表面に、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂとを配置し、触媒層１３ａ，１３ｂが形成された積層体１０Ｄを製造する。
【００８８】
具体的には、触媒層を配置する工程Ｊで、積層体１０Ａの形成後の電解質層１１ａの表面において、積層体１０Ａの短手方向Ｓに沿って、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂとが２列で形成され、かつ、長手方向（搬送方向）Ｌに沿って、複数のアノード触媒層１３ａと複数のカソード触媒層１３ｂが交互に形成されるように（換言すると、２列のアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂとのそれぞれを、対角に形成されるように）、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂとを配置し、これらを加圧すると共に１７０℃以下で加熱することにより定着させる。
【００８９】
尚、前記第二実施形態と同様に、触媒層１３ａ，１３ｂの配置を、スプレーを用いた吹き付けによる触媒層の配置、バッキングシートを用いた触媒層の配置、又は、冶具又はコートダイなどを用いた転写による触媒層の配置、等を挙げることができ、所望の電解質層１１ａの表面に、上述した配列で前記複数の触媒層１３ａ，１３ｂを配置することができるのであれば、特にその配置方法は限定されない。
【００９０】
次に、折り曲げ工程Ｂにおいて、アノード触媒層１３ａが積層体１０Ｅの一方の表面に配置され、カソード触媒層１３ｂが積層体１０Ｅの他方の表面に配置されるように（アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂが積層体１０Ｅ（複合型電解質膜）を挟み込むように）長手方向Ｌに沿って、前記いくつかの実施形態と同様に積層体１０Ｄの中央部で積層体１０Ｄを折り曲げる。その後、含浸工程Ｃにおいて、電解質を補強層１２ａに含浸させ、積層体１０Ｆを製造し、加水分解工程Ｄにおいて、積層体１０Ｆの電解質にイオン交換機能を付与して、複合型電解質膜１００Ｂを含む膜電極接合体５０Ｃを得ることができる。
【００９１】
積層工程後の積層体の電解質層１１ａが形成された同一面内に、短手方向Ｓに沿ってアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂを形成するので、複合型電解質膜１００Ｂを挟み込むように、これら触媒層１３ａ，１３ｂを位置ずれなく正確に配置することができる。この結果、折り曲げ工程Ｂにおいて、積層体１０Ｅの折り曲げ位置の精度を保つことができれば、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｂの位置関係のずれを抑制することができ、後述する燃料電池１のセルとして組み付けた場合の組み付け不良、燃料電池１の発電時の性能のばらつきを抑制することができる。
【００９２】
そして、この膜電極接合体５０Ｃは、帯状の膜電極接合体であり、膜電極接合体５０Ｃの表面には、長手方向Ｌに沿って、複数のアノード触媒層１３ａと複数の前記カソード触媒層１３ｂが交互に形成されているので、後述する第二の折り曲げ工程により容易に、燃料電池を製造することができる。
【００９３】
次に、この膜電極接合体５０Ｃに第二の折り曲げを行なう。具体的には、図１０に示すように、加水分解工程Ｄ後、第二の折り曲げ工程において、アノード触媒層１３ａと、このアノード触媒層１３ａに対して長手方向Ｌにおいて隣接するカソード触媒層１３ｂと、が対向するように、短手方向Ｓに沿って（図中のＣ１−Ｃ１，Ｃ２−Ｃ２，…に沿って）、膜電極接合体５０Ｃを折り曲げる。
【００９４】
この折り曲げ方法としては、例えば、後述するセパレータを導入可能な厚みの折り曲げ治具を準備し、この折り曲げ治具の先端を短手方向Ｓに沿って押し当てて、折り曲げる方法などを挙げることができ、長手方向Ｌの隣接する触媒層１３ａ，１３ｂ同士を対向して折り曲げることができるのであれば、その折り曲げ方法は特に限定されるものではない。
【００９５】
このようにして第二の折り曲げ工程を行うとことにより、これらの対向する触媒層１３ａ，１３ｂの間に後述するセパレータ等を配置すれば、複数の膜電極接合体を積層することなく、１つの連続した膜電極接合体５０Ｃから、位置ずれなく触媒層１３ａ，１３ｂが形成された燃料電池のセル化を容易に図ることが可能となる。
【００９６】
さらに、長手方向Ｌに沿って、複数のアノード触媒層１３ａと複数のカソード触媒層１３ｂが交互に形成され、長手方向Ｌにおいてアノード触媒層１３ａに隣接する層には必ずカソード触媒層１３ｂが形成されているので、第二の折り曲げ工程を行うことにより同一方向に表面（拡散層１５に接触する表面）を有した複数のアノード触媒層１３ａが形成され、これとは反対の同一方向に表面（拡散層１５に接触する表面）を有した複数のカソード触媒層１３ｂが形成されることになる。この結果、従来の工法により、複数の膜電極接合体を積層する場合に生じるおそれがある、膜電極接合体のアノード触媒層とカソード触媒層の組み付けミスを確実に防止することができる。
【００９７】
このように製造された膜電極接合体を用いた、燃料電池の製造方法について、以下に詳述する。図１１は、図１０に示す膜電極接合体５０Ｃから燃料電池を製造する方法を示した図である。
【００９８】
本実施形態において、燃料電池の製造方法は、第二の折り曲げ工程後の膜電極接合体５０Ｃのアノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｂの表面に拡散層１５を配置すると共に、拡散層１５が配置された対向したアノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｂの間に、燃料ガス流路６１及び酸素ガス流路６２が形成されたセパレータ６０を配置する工程を含むものである。
【００９９】
具体的には、燃料ガス流路６１及び酸素ガス流路６２が形成されたセパレータ６０を準備する。そして、セパレータ６０の両面に、アノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｂの表面に配置するための拡散層１５を配置する。さらに、セパレータ６０の長手方向の両端に、膜電極接合体５０Ｃに対して接着性及びシール性を有した部材６３を取り付ける。
【０１００】
そして、この拡散層１５及びシール剤６３が取付けられたセパレータ６０を、膜電極接合体５０Ｃの折り曲げ部分に向かって、膜電極接合体５０Ｃのアノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｂの表面に拡散層１５が位置するように差し込む。この結果、膜電極接合体５０Ｃの対向する触媒層１３ａ，１３ｂの上面に、拡散層１５及びセパレータ６０を挟むことにより、積層電極が形成され、加熱すると共に、厚さ方向に加圧し、複数の単セルが重なった燃料電池１が製造される。
【０１０１】
このような工法により、複数の膜電極接合体同士の間にセパレータを配置する従来の方法に比べて、製造工数を削減することができると共に、第二の折り曲げ工程後連続してセパレータを配置することができるので、燃料電池１のセル化において、コンタミの混入を抑制することができる。
【０１０２】
図１２は、図１１に示す製造方法により製造された燃料電池から、所望のセル数の燃料電池を製造する方法を説明するための図である。図１２に示すように、図１１に示す製造方法により製造された燃料電池１は、複数の単セルの燃料電池が、電解質膜により絶縁状態で連結されている。よって、図１１に示すように、連結部分の電解質膜を切断することにより、モジュール（数枚から数百枚）の状態で、セル積層時の向き（アノード／カソード面の向き）の位置関係において、組み付けミスが無い、必要なセル数の燃料電池１Ａ，１Ｂを得ることができる。
【０１０３】
以上、本発明の複合型電解質膜、膜電極接合体、燃料電池、及びこれらの製造方法の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【０１０４】
例えば、前記第四〜六の実施形態では、添加材として保水材を用いたが、燃料電池の発電時に、副生成物として生成される過酸化水素を水及び酸素に分解してヒドロキシラジカルの発生を抑制するために、セリウムなどの遷移金属の酸化物からなるラジカル抑制材を用いてもよい。
【０１０５】
また、前記第一〜第六の実施形態において製造した複合型電解質膜に対して、さらに、折り曲げ工程時に形成された折しろとなる折り曲げ端部を、スリッター等によりカットしてもよい。
【０１０６】
また、前記第二及び第五実施形態において触媒層をさらに配置したが、さらに、該触媒層に図１３に示す拡散層、セパレータを配置して、燃料電池を得ることができるのは勿論のことである。
【０１０７】
また、図１０に示す実施形態では、拡散層とセパレータとを配置する際には、拡散層を表面に形成したセパレータを、膜電極接合体の折れ曲がった部分に挿入するようにして、膜電極接合体に配置したが、この方法に限定されるものではなく、膜電極接合体に拡散層とセパレータと配置し燃料電池を製造することができるのであれば、これらを別個に配置してもよい。また、本実施形態では、積層工程後に触媒層を配置したが、アノード触媒層とカソード触媒層を的確に配置することがでるのであれば、電解質膜に触媒層を配置せずに、セパレータに配置した拡散層上に、さらに、アノード触媒層とカソード触媒層を配置してもよい。
【０１０８】
さらに、図１０に示す本実施形態では、複合型電解質膜に、保水剤、ラジカル抑制剤等の添加材を配置していないが、図７及び図８の第五及び第六実施形態に示す方法で、保水材、ラジカル抑制剤等の添加材を複合型電解質膜に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第一実施形態に係る複合型電解質膜の製造方法を示した模式図。
【図２】図１に示す製造方法を実施するための製造装置の模式図。
【図３】本発明の第二実施形態に係る複合型電解質膜の製造方法を示した模式図。
【図４】本発明の第三実施形態に係る複合型電解質膜の製造方法を示した模式図。
【図５】本発明の第四実施形態に係る複合型電解質膜の製造方法を示した模式図。
【図６】図５に示す製造方法を実施するための製造装置の模式図。
【図７】本発明の第五実施形態に係る複合型電解質膜の製造方法を示した模式図。
【図８】本発明の第六実施形態に係る複合型電解質膜の製造方法を示した模式図。
【図９】本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示した模式図。
【図１０】図９に示す膜電極接合体に対する第二の折り曲げを説明するための図。
【図１１】図１０に示す膜電極接合体から燃料電池を製造する方法を示した図。
【図１２】図１１に示す方法より製造された燃料電池から、所望のセル数の燃料電池を製造する方法を説明するための図。
【図１３】従来の複合型電解質膜の製造方法を示した図であり、（ａ）は、キャスト成膜法により、複合型電解質膜の製造方法を説明するための図あり、（ｂ）は、複合型電解質膜に触媒層を転写により形成する方法を説明するための図。
【図１４】固体高分子型燃料電池（単セル）の一例を説明する模式図。
【符号の説明】
【０１１０】
１：燃料電池、１０Ａ、１０Ｂ、…１０Ｐ：積層体、１１：電解質シート、１１ａ，１１ｂ：電解質層、１２：補強シート、１２ａ：多孔質の補強層、１２ｂ：電解質が含浸された補強層、１３ａ、１３ｂ：触媒層，１４：保水材，１４ｂ：添加層，５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ：膜電極接合体、１００Ａ、１００Ｂ…１００Ｆ：複合型電解質膜，Ａ，Ａ１，Ａ２：積層工程，Ｂ：折り曲げ工程，Ｃ：含浸工程，Ｄ：加水分解工程，Ｊ：触媒層配置工程，Ｋ：保水材配置工程
【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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