(57)【要約】【課題】ガス流路におけるガスの流れを良好に保ち、発電性能の低下を防止する。【解決手段】電解質上に触媒を介してガス拡散層１４ｂを配置した積層体を用意し、プレス面に前記所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有するプレス機５２を用いて、前記積層体を前記ガス拡散層１４ｂ側の面から押圧する。電解質−電極接合体とセパレータとを、積層方向から見たとき、ガス拡散層１４ｂのつぶれていない部位Ｂがセパレータ２０の凸部２０ｂＳと一致し、つぶれた部位Ａがセパレータ２０の凹部２０ｂＲと一致するように接合する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータとともに用いられる電解質−電極接合体の製造方法であって、
電解質上に触媒を介してガス拡散層を配置した積層体を用意する第１の工程と、
プレス面に前記所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有するプレス装置を用いて、前記積層体を前記ガス拡散層側の面から押圧する第２の工程と
を備える電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、
前記第１の工程は、電解質を準備し、前記電解質上に触媒を介してガス拡散層を配置する構成であり、
前記第２の工程は、前記プレス装置としてのホットプレス装置により、前記押圧と共に加熱を行う構成である、電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、
前記第１の工程は、電解質上に触媒を介してガス拡散層が一体的に接合済みの電解質−電極接合体を前記積層体として用意する構成であり、
前記第２の工程は、前記接合済みの電解質−電極接合体に対して押圧を行う構成である、電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、
前記セパレータは、
前記凹凸形状により直線状に延びる溝を構成するものである、電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、
前記セパレータは、
複数の凸部を縦方向と横方向とに格子状に配列することにより、前記ガス流路を形成するものである、電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、
前記プレス面の有する凹凸形状の凸幅は前記所定の凹凸形状の凹幅と略同一であり、前記プレス面の有する凹凸形状の凹幅は前記所定の凹凸形状の凸幅と略同一である、電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項７】
ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータを備える燃料電池の製造方法であって、
電解質上に触媒を介してガス拡散層を配置した積層体を用意する第１の工程と、
プレス面に前記所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有するプレス装置を用いて、前記積層体を前記ガス拡散層側の面から押圧する第２の工程と、
前記押圧して得られた電解質−電極接合体に対して前記セパレータを、前記電解質−電極接合体における前記プレス面の凸部で押圧された部位が前記セパレータの凹部と対向するように接合する第３の工程と
を備える燃料電池の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第１の工程は、電解質を準備し、前記電解質上に触媒を介してガス拡散層を配置する構成であり、
前記第２の工程は、前記プレス装置としてのホットプレス装置により、前記押圧と共に加熱を行う構成である、燃料電池の製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第１の工程は、電解質上に触媒を介してガス拡散層が一体的に接合済みの電解質−電極接合体を前記積層体として用意する構成であり、
前記第２の工程は、前記接合済みの電解質−電極接合体に対して押圧を行う構成である、燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
請求項７ないし９のいずれかに記載の燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータは、
前記凹凸形状により直線状に延びる溝を構成するものである、燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項７ないし９のいずれかに記載の燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータは、
複数の凸部を縦方向と横方向とに格子状に配列することにより、前記ガス流路を形成するものである、燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
請求項７ないし１１のいずれかに記載の燃料電池の製造方法であって、
前記プレス面の有する凹凸形状の凸幅は前記所定の凹凸形状の凹幅と略同一であり、前記プレス面の有する凹凸形状の凹幅は前記所定の凹凸形状の凸幅と略同一である、燃料電池の製造方法。
【請求項１３】
ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータとともに用いられる電解質−電極接合体であって、
電解質と、
前記電解質上に触媒を介して配置されるガス拡散層と
を備え、
前記ガス拡散層の前記電解質とは反対側の面には、前記所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有し、
前記ガス拡散層の有する前記凹凸形状のうちの凹部は、前記面に対して垂直な方向からの押圧によるつぶれた部位である、電解質−電極接合体。
【請求項１４】
燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質上に触媒を介して配置されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層の前記電解質とは反対側の面に配置され、ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータと
を備え、
前記ガス拡散層の前記面は、前記セパレータの有する所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有し、
前記ガス拡散層の有する前記凹凸形状のうちの凹部は、前記面に対して垂直な方向からの押圧によるつぶれた部位であり、
前記セパレータは、前記ガス拡散層に対して、前記ガス拡散層の有する前記凹凸形状のうちの前記凹部が前記セパレータの凹部と対向するように配置された構成である、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質−電極接合体と、燃料電池と、電解質−電極接合体の製造方法と、燃料電池の製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜をカソード電極およびアノード電極で挟んで製造したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly（膜・電極接合体））と、セパレータと、を交互に積層することによって構成される。カソード電極およびアノード電極のそれぞれは、一般に、電解質膜に接する側に配置された触媒層と、セパレータに接する側に配置されたガス拡散層とを含んでいる。
【０００３】
カソード電極にセパレータを介して酸素を含む酸化剤ガスを供給し、アノード電極にセパレータを介して水素を含む燃料ガスを供給することにより、水素と酸素とを電気化学的に反応させて直接的に電気エネルギを取り出すことができる。上記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給は、ガス拡散層の表面との間で燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成することで行う。詳細には、セパレータの表面に所定の凹凸形状を設け、その凹凸形状により直線状のガス流路溝を構成する。
【０００４】
なお、上記セパレータのＭＥＡの接合は、他方の極側のセパレータとの間で、電解質膜と触媒層とガス拡散層とを締め付けて挟持することで行なわれる（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７９０７４号公報
【０００６】
前記従来の技術では、セパレータによる締め付けにより、前記セパレータ表面に形成された凸部がガス拡散層にめり込んでしまう。すなわち、図９に示すように、セパレータＳの表面に形成された凸部Ｓ１がガス拡散層Ｇにめり込んでしまう。なお、このめり込んだ状態は、特許文献１の図１にも示されている。このように、セパレータＳの表面に形成された凸部Ｓ１がガス拡散層Ｇにめり込んでしまうと、複数のガス流路Ｓ２のそれぞれにおいてガス拡散層Ｇの表面が盛り上がって、ガス流路２Ｓの一部分を閉塞してしまう。この結果、従来の技術では、ガスの流れが不均一になるという問題が発生した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ガス流路におけるガスの流れを良好に保ち、発電性能の低下を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［適用例１］
ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータとともに用いられる電解質−電極接合体の製造方法であって、
電解質上に触媒を介してガス拡散層を配置した積層体を用意する第１の工程と、
プレス面に前記所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有するプレス装置を用いて、前記積層体を前記ガス拡散層側の面から押圧する第２の工程と
を備える電解質−電極接合体の製造方法。
【０００９】
適用例１の電解質−電極接合体の製造方法によれば、プレス装置のプレス面が、セパレータの有する所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有していることから、このプレス装置により押圧される積層体のガス拡散層の表面には、セパレータの有する所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状が形成されることになる。すなわち、プレス装置により、ガス拡散層の表面にはプレス面と同じ位相の凹凸が形成されることから、このガス拡散層の表面の凹凸は、セパレータの有する所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状となる。ガス拡散層の表面に形成された凹部は、プレス装置のプレス面の凸部によりつぶされた部位であり、ガス拡散層の表面に形成された凸部は、プレス装置のプレス面の凹部に対応し、つぶされていない部位である。
【００１０】
こうして製造された電解質−電極接合体を、ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータと接合することにより、燃料電池を製造することになるが、この接合の際に、ガス拡散層の表面に形成された凹部、すなわち前記プレス面の凸部によりつぶされた部位が前記セパレータの凹部と対向するようにする。上記つぶされた部位は十分にプレスされていることから、上記接合をセパレータによる締め付けによって行う場合にも、その部位がセパレータの凹部側、すなわちガス流路側に入り込む状態に変形することがない。すなわち、従来技術の問題点として示した図９に示すように、ガス拡散層Ｇの一部がガス流路Ｓ２側に盛り上がって入り込むこともない。このために、この製造方法により製造された電解質−電極接合体を用いた燃料電池によれば、ガス流路におけるガスの流れを良好に保つことができる。すなわち、ガスの流れを安定化することができるという効果を奏する。
【００１１】
さらに、適用例１の電解質−電極接合体の製造方法によれば、ガス拡散層の表面に形成された凸部、すなわち前記プレス面の凸部によりつぶされていない部位が前記セパレータの凸部と対向することになることから、そのセパレータの凸部と当接するガス拡散層の部位はクッション性を保持したものとなる。この結果、上記電解質−電極接合体を用いた燃料電池によれば、セパレータによる締結を安定化させることができるという効果も奏する。また、ガス拡散層とセパレータとの接触性が良好となることから、接触抵抗を低減することができるという効果を奏する。
【００１２】
［適用例２］
適用例１に記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、前記第１の工程は、電解質を準備し、前記電解質上に触媒を介してガス拡散層を配置する構成であり、前記第２の工程は、前記プレス装置としてのホットプレス装置により、前記押圧と共に加熱を行う構成である、電解質−電極接合体の製造方法。
【００１３】
電解質と電極とを接合する一般的な方法としてホットプレス法があるが、上記適用例２に記載の電解質−電極接合体の製造方法によれば、前記第２の工程でもって、前記ホットプレス法による電解質と電極との接合を併せて行うことができる。換言すれば、電解質に電極を接合するのにもともと必要な工程の中で、ガス拡散層の表面に前記凹凸形状を形成することができる。したがって、上記電解質−電極接合体の製造方法によれば、製造工程を複雑化することがない。
【００１４】
［適用例３］
適用例１に記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、前記第１の工程は、電解質上に触媒を介してガス拡散層が一体的に接合済みの電解質−電極接合体を前記積層体として用意する構成であり、前記第２の工程は、前記接合済みの電解質−電極接合体に対して押圧を行う構成である、電解質−電極接合体の製造方法。
【００１５】
この構成によれば、一般的な電解質−電極接合体の製造方法の後工程において、前記第２の工程を行うことで、ガス拡散層の表面に前記凹凸形状が形成された電解質−電極接合体を製造することができる。
【００１６】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、前記セパレータは、前記凹凸形状により直線状に延びる溝を構成するものである、電解質−電極接合体の製造方法。この構成によって製造された電解質−電極接合体は、ガス流路を形成するための複数の直線状に延びる溝を有するセパレータとともに用いられることで燃料電池を構成する。
【００１７】
［適用例５］
適用例１ないし３のいずれかに記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、前記セパレータは、複数の凸部を縦方向と横方向とに格子状に配列することにより、前記ガス流路を形成するものである、電解質−電極接合体の製造方法。この構成によって製造された電解質−電極接合体は、ガス流路を形成するための複数の凸部からなる格子溝を有するセパレータとともに用いられることで燃料電池を構成する。
【００１８】
［適用例６］
適用例１ないし５のいずれかに記載の電解質−電極接合体の製造方法であって、前記プレス面の有する凹凸形状の凸幅は前記所定の凹凸形状の凹幅と略同一であり、前記プレス面の有する凹凸形状の凹幅は前記所定の凹凸形状の凸幅と略同一である、電解質−電極接合体の製造方法。この構成によれば、電解質−電極接合体のガス拡散層の表面に、セパレータの有する所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を容易に作成することができる。
【００１９】
［適用例７］
ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータを備える燃料電池の製造方法であって、
電解質上に触媒を介してガス拡散層を配置した積層体を用意する第１の工程と、
プレス面に前記所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有するプレス装置を用いて、前記積層体を前記ガス拡散層側の面から押圧する第２の工程と、
前記押圧して得られた電解質−電極接合体に対して前記セパレータを、前記電解質−電極接合体における前記プレス面の凸部で押圧された部位が前記セパレータの凹部と対向するように接合する第３の工程と
を備える燃料電池の製造方法。
【００２０】
適用例７の燃料電池の製造方法によれば、プレス装置のプレス面が、セパレータの有する所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有していることから、このプレス装置により押圧される積層体のガス拡散層の表面には、セパレータの有する所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状が形成されることになる。すなわち、プレス装置により、ガス拡散層の表面にはプレス面と同じ位相の凹凸が形成されることから、このガス拡散層の表面の凹凸は、セパレータの有する所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状となる。ガス拡散層の表面に形成された凹部は、プレス装置のプレス面の凸部によりつぶされた部位であり、ガス拡散層の表面に形成された凸部は、プレス装置のプレス面の凹部に対応し、つぶされていない部位である。
【００２１】
こうして製造された電解質−電極接合体を、ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータと接合するに際し、ガス拡散層の表面に形成された凹部、すなわち前記プレス面の凸部によりつぶされた部位が前記セパレータの凹部と対向するように構成される。上記つぶされた部位は十分にプレスされていることから、上記接合をセパレータによる締め付けによって行う場合にも、その部位がセパレータの凹部側、すなわちガス流路側に入り込む状態に変形することがない。このために、この製造方法により製造された燃料電池によれば、ガス流路におけるガスの流れを良好に保つことができる。すなわち、ガスの流れを安定化することができるという効果を奏する。
【００２２】
さらに、適用例７の燃料電池の製造方法によれば、ガス拡散層の表面に形成された凸部、すなわち前記プレス面の凸部によりつぶされていない部位が前記セパレータの凸部と対向することになることから、そのセパレータの凸部と当接するガス拡散層の部位はクッション性を保持したものとなる。この結果、製造された燃料電池によれば、セパレータによる締結を安定化させることができるという効果も奏する。また、ガス拡散層とセパレータとの接触性が良好となることから、接触抵抗を低減することができるという効果を奏する。
【００２３】
適用例７に記載の燃料電池の製造方法において、適用例２ないし６のいずれかに記載の内容をそのまま適用することもできる（適用例８〜１２）。この構成によっても、適用例２ないし６と同様の効果を奏することができる。
【００２４】
［適用例１３］
ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータとともに用いられる電解質−電極接合体であって、
電解質と、
前記電解質上に触媒を介して配置されるガス拡散層と
を備え、
前記ガス拡散層の前記電解質とは反対側の面には、前記所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有し、
前記ガス拡散層の有する前記凹凸形状のうちの凹部は、前記面に対して垂直な方向からの押圧によるつぶれた部位である、電解質−電極接合体。
【００２５】
上記適用例１３の電解質−電極接合体は、適用例１の製造方法により作成された電解質−電極接合体と同様に、ガス流路におけるガスの流れを安定化させること、セパレータによる定活を安定化させること、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗を低減することの効果を奏する。
【００２６】
［適用例１４］
燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質上に触媒を介して配置されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層の前記電解質とは反対側の面に配置され、ガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するセパレータと
を備え、
前記ガス拡散層の前記面は、前記セパレータの有する所定の凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有し、
前記ガス拡散層の有する前記凹凸形状のうちの凹部は、前記面に対して垂直な方向からの押圧によるつぶれた部位であり、
前記セパレータは、前記ガス拡散層に対して、前記ガス拡散層の有する前記凹凸形状のうちの前記凹部が前記セパレータの凹部と対向するように配置された構成である、燃料電池。
【００２７】
上記適用例１４の燃料電池は、適用例７の製造方法により作成された燃料電池と同様に、ガス流路におけるガスの流れを安定化させること、セパレータによる定活を安定化させること、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗を低減することの効果を奏する。
【００２８】
本発明は、上記適用例以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池の製造方法を用いて、複数の燃料電池が積層される燃料電池スタックを製造する燃料電池スタックの製造方法とした形態等で実現することが可能である。また、例えば、上記各適用例において、前記電解質は、固体高分子膜とすることができる。この構成によれば、燃料電池の取り扱いの利便がよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下に説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の第１実施例に係る製造方法により製造された燃料電池を模式的に示す説明図である。燃料電池は、多数の単セル１０が積層されたスタック構造としての燃料電池スタック１の形態で提供されるものであり、図１では２つ分の単セル１０の縦断面が示されている。燃料電池スタック１の単セル１０は、主として、固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と呼ぶ）１３の両面に電極１４，１５が配置された膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという)１２と、ＭＥＡ１２を両面から挟み込むセパレータ２０，２０とを備えている。
【００３０】
ＭＥＡ１２は、電解質膜１３を二つの電極、つまり燃料極であるアノード１４と酸素極であるカソード１５とで挟みこんだものである。ここで、電解質膜１３は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製された膜であり、具体的にはフッ素系樹脂により形成された膜（デュポン社製のナフィオン膜等）などが挙げられる。
【００３１】
アノード１４及びカソード１５は、それぞれ電極触媒層１４ａ，１５ａとガス拡散層１４ｂ，１５ｂとによって構成されている。電極触媒層１４ａ，１５ａは、電解質膜１３に接触する側に位置し、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。一方、ガス拡散層１４ｂ，１５ｂは、電極触媒層１４ａ，１５ａに積層され（セパレータ２０に接触する側に位置し）、炭素繊維からなるカーボンペーパにより形成されている。なお、電極触媒層１４ａ，１５ａに含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。また、ガス拡散層１４ｂ，１５ｂは、カーボンペーパのほか、カーボンフェルト等によって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。
【００３２】
セパレータ２０は、ガスを透過しない緻密質であると共に、電気伝導性を有する材料で形成される。例えばセパレータ２０の形成には、圧縮成型された緻密質カーボン、金属、導電性樹脂を用いることができる。セパレータ２０は、平板を所定の凹凸形状を有するように加工した第１の板部２０ａと第２の板部２０ｂ（両者は同一のもの）とを、互いの凹凸が逆位相となるようにして一体的に接合したものである。第１の板部２０ａの凸部２０ａＳはカソード１５と接しており、この第１の板部２０ａとカソード１５の表面との間の空間が、エアが通過する単セル内酸化剤ガス流路２２となる。第２の板部２０ｂの凹部（セパレータ２０全体で見たときは図中左方向に突出する凸部となることから、以下、この部分を凸部と呼ぶ）２０ｂＳはアノード１４と接しており、この第２の板部２０ｂとアノード１４の表面との間の空間が、燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路２４となる。各ガス流路２２，２４は、カソード１５およびアノード１４の各面に平行な方向（図中において図面の厚さ方向）にストレート（直線状）に延びる溝である。また、第１の板部２０ａの凸部２０ａＳと第２の板部２０ｂの凸部２０ｂＳとにより、その内側にカソード１５およびアノード１４の各面に平行な方向（図中において図面の厚さ方向）に延びる断面長方形の単セル内冷却水流路２６が形成される。
【００３３】
単セル内燃料ガス流路２４は、図示しないマニホールドを介して図示しない外部の水素タンクに接続され、水素を含む燃料の供給を受ける。単セル内酸化剤ガス流路２２は、図示しないマニホールドを介して図示しない外部のコンプレッサ等に接続され、酸化剤ガスとしての空気の供給を受ける。この結果、燃料電池スタック１に備えられる各単セル１０の内部に燃料ガスや酸化剤ガスが滞りなく供給される。単セル内冷却水流路２６は、図示しない冷却水循環用配管を介してラジエータ等に接続され、燃料電池スタック１の内部温度を所定の範囲内に保つ。こうした結果、燃料電池スタック１は、水素と酸素とを電気化学的に反応させて、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【００３４】
Ａ−２．燃料電池の製造方法：
図２は、燃料電池の製造方法を示す工程図である。図示するように、まず、燃料電池スタック１を構成する単セル１０で必要となる各部品、すなわち、電解質膜１３、電極触媒層１４ａ，１５ａ、ガス拡散層１４ｂ，１５ｂを準備する（工程１）。次いで、ガス拡散層１５ｂ上に電極触媒層１５ａを介して電解質膜１３を配置し、さらに、電解質膜１３の上に電極触媒層１４ａを介してガス拡散層１４ｂを配置することにより、これらの積層体を作成する（工程２）。続いて、プレス装置としてのホットプレス機を用いて上記積層体をホットプレスする（工程３）。
【００３５】
図３は、工程３における準備の様子を示す説明図である。図示するように、まず、下型５１と上型５２とを有するホットプレス機（ホットプレス装置）５０を用意し、その下型５１上に、工程２で作成された積層体３０を配置する。積層体３０は、前述したように、ガス拡散層１５ｂ、電極触媒層１５ａ、電解質膜１３、電極触媒層１４ａ、ガス拡散層１４ｂをこの順に積層したものである。
【００３６】
下型５１および上型５２の各プレス面には、断面が凹状のストレートな溝５１ａ、５２ａが複数本、それぞれ形成されている。この溝５１ａ、５２ａにより、プレス面に凹凸形状が形成されることになるが、この凹凸形状は、セパレータ２０の有する所定の凹凸形状と逆位相のものである。詳細には、プレス面に形成される溝（凹部）５１ａ、５２ａの溝幅（凹幅）ＰＷ１は、セパレータ２０の有する凸部２０ａＳ，２０ｂＳの幅ＳＷ１（図１参照）と同一寸法であり、その溝５１ａ、５２ａにより形成される山部（凸部）の山幅（凸幅）ＰＷ２は、セパレータ２０の有するガス流路（凹部）の幅ＳＷ２（図１参照）と同一寸法である。なお、ここでいう「同一寸法」とは、必ずしも厳密に同じ長さである必要はなく、ほぼ同じ長さとしてもよい。なお、本実施例では、セパレータ２０の有する凸幅および凹幅は同一であるが、これに換えて異なる大きさとしてもよい。この場合にも、プレス面の有する凹凸形状の凸幅はセパレータの有する凹凸形状の凹幅と同一であり、プレス面の有する凹凸形状の凹幅はセパレータの有する凹凸形状の凸幅と同一である。
【００３７】
そうして、ホットプレス機５０を動作させて、上型５２に鉛直下方の加重を掛ける（下型５１は固定）。詳細には、１００℃ないし１６０℃、例えば１２０℃の温度で、１ＭＰａ｛１０．２kgf／cm2｝ないし１０ＭＰａ｛１０２kgf／cm2｝、例えば４ＭＰａ｛４０．８kgf／cm2｝の圧力を掛ける。こうして、積層体３０は、下型５１と上型５２により、ガス拡散層１４ｂ、１５ｂに対して垂直な方向からそれぞれ加熱・押圧される。この結果、一体的に接合された前述したＭＥＡ１２が製造される。
【００３８】
図２に戻り、続いて、工程３で製造されたＭＥＡ１２にセパレータ２０を接合する（工程４）。すなわち、ＭＥＡ１２とセパレータ２０を交互に複数組並べて、図示しない締結ボルトを用いてＭＥＡ１２にセパレータ２０を接合する。上記ＭＥＡ１２とセパレータ２０との間は、接合面に平行な方向において所定の位置関係となるように接合されている。その位置関係は次の通りである。
【００３９】
図４は、ＭＥＡ１２とセパレータ２０との間の位置関係を示す説明図である。図中の（ａ）には、工程３によりＭＥＡ１２をホットプレス機５０でプレスしたときの上型５２とガス拡散層１４ｂとの接触部分が示されており、図中の（ｂ）には、工程４により接合したときのセパレータ２０とガス拡散層１４ｂとの接合部分が示されている。
【００４０】
前述した工程３では、図４の（ａ）に示すように、ＭＥＡ１２のアノード側のガス拡散層１４ｂの表面は、上型５２のプレス面に形成された凸部により押圧されることになることから、ガス拡散層１４ｂの表面において上記凸部で押圧された部位Ａはつぶれ、上記凸部間の凹部に対応する部位Ｂはつぶれない。こうして製造されたＭＥＡ１２を工程４によりセパレータ２０と接合することになるが、図４の（ｂ）に示すように、ガス拡散層１４ｂの表面の上記つぶれていない部位Ｂはセパレータ２０に形成された凸部２０ｂＳと対向するとともに、ガス拡散層１４ｂの表面の上記つぶれた部位Ａはセパレータ２０に形成された凹部２０ｂＲと対向するように、ＭＥＡ１２とセパレータ２０との間の位置関係、すなわち両者の接合面に平行な方向の位置関係が定められている。換言すれば、ＭＥＡ１２とセパレータ２０とを、積層方向から見たとき、ガス拡散層１４ｂの上記つぶれていない部位Ｂがセパレータ２０の凸部２０ｂＳと一致し、上記つぶれた部位Ａがセパレータ２０の凹部２０ｂＲと一致するように接合している。すなわち、ＭＥＡ１２とセパレータ２０とを、互いの凹凸が逆位相となるように接合している。
【００４１】
なお、ＭＥＡ１２のカソード側のガス拡散層１５ｂの表面においても、上記アノード側と同様に、積層方向から見たとき、ガス拡散層１５ｂの上記つぶれていない部位Ｂがセパレータ２０の凸部２０ａＳ（図１）と一致し、上記つぶれた部位Ａがセパレータ２０の凹部２０ａＲ（図１）と一致するように接合している。この結果、燃料電池スタック１が製造される。なお、上記工程２が本発明の「第１の工程」に、工程３が本発明の「第２の工程」に、工程４が本発明の「第３の工程」にそれぞれ相当する。
【００４２】
Ａ−３：効果：
以上のように構成された本実施例の電解質−電極接合体の製造方法ならびに燃料電池の製造方法によれば、ホットプレス機５０のプレス面が、セパレータ２０の有するストレートの溝と逆位相の形状の溝５１ａ、５２ａを有していることから、このホットプレス機５０によりホットプレスされるガス拡散層１４ｂ、１５ｂの表面には、セパレータの有する凹凸形状と逆位相の凹凸形状が形成される。ガス拡散層１４ｂ、１５ｂの表面に形成された凹部は、ホットプレス機５０のプレス面の凸部によりつぶされた部位Ａであり、ガス拡散層１４ｂ、１５ｂの表面に形成された凸部は、プレス装置のプレス面の凹部に対応し、つぶされていない部位Ｂである。
【００４３】
上記のホットプレスにより製造された電解質−電極接合体１２をセパレータ２０と接合するに際し、ガス拡散層１４ｂの表面の上記つぶれた部位Ａは、セパレータ２０に形成された凹部２０ｂＲと対向させられる。上記つぶされた部位は十分にプレスされていることから、上記接合をセパレータによる締め付けによって行っても、その部位Ａがセパレータの凹部２０ａＲ，２０ｂＲ側、すなわちガス流路２２，２４側に入り込む状態に変形することがない。このために、この製造方法により製造されたＭＥＡ１２を用いた単セル１０によれば、ガス流路２２，２４におけるガスの流れを良好に保つことができる。すなわち、ガスの流れを安定化することができるという効果を奏する。
【００４４】
さらに、本実施例によれば、ホットプレス機５０のプレス面の凸部によりつぶされていない部位Ｂがセパレータ２０の凸部２０ａＳ，２０ｂＳと対向することになることから、その凸部２０ａＳ，２０ｂＳと当接するガス拡散層１４ｂ，１５ｂの部位はクッション性を保持したものとなる。プレス面の凸部によりつぶされていない部位はクッション性を保持しているためである。この結果、単セル１０による締結を安定化させることができるという効果も奏する。また、ガス拡散層１４ｂ，１５ｂとセパレータ２０との接触性が良好となることから、接触抵抗を低減することができるという効果を奏する。
【００４５】
なお、前記第１実施例における電解質−電極接合体の製造方法および燃料電池の製造方法は、従来行われている電解質と電極とを接合するホットプレスの工程において凹凸形状を有する下型５１と上型５２を用いる構成としたものであることから、製造工程を複雑化することがない。
【００４６】
Ｂ．第２実施例：
前記第１実施例では、従来行われている電解質と電極とを接合するホットプレスの工程において、下型５１と上型５２を用いることによりガス拡散層の表面に所定の凹凸形状を形成していたが、これに換えて、第２実施例では、電解質上に触媒を介してガス拡散層が一体的に接合済みの電解質−電極接合体を用意して、その電解質−電極接合体に対して前記所定の凹凸形状を形成する構成としてもよい。
【００４７】
図５は、第２実施例における燃料電池の製造方法を示す工程図である。この製造方法は、第１実施例の図２で示した燃料電池の製造方法と比較して、工程１、工程２、工程４は同一である。本実施例では、第１実施例の工程３に換えて、工程３ａと工程３ｂとを備える。工程３ａは、従来行われている電解質と電極とを接合するホットプレスの工程である。すなわち、工程３ａは、第１実施例の工程３と比較して、ホットプレス機の有する下型と上型の各プレス面が平面となっている点が相違し、この構成により、電解質上に触媒を介してガス拡散層が一体的に接合済みの電解質−電極接合体が製造される。なお、工程３ａは、ホットプレス法によるものに限る必要はなく、電解質上に触媒を介してガス拡散層を一体的に接合した電解質−電極接合体を製造することができるものであれば、周知のいずれの接合方法によるものとしてもよい。
【００４８】
その後、プレス機を用いて、工程３ａで製造された電解質−電極接合体を押圧する（工程３ｂ）。この工程３ｂで用いるプレス機は、第１実施例の下型５１と上型５２と同一形状の下型および上型を備えたものとする。なお、このプレス機では、第１実施例のように加熱を行うことはない。なお、加熱を行う構成とすることもできる。この工程３ｂの結果、第１実施例の工程３で製造される電解質−電極接合体、すなわちＭＥＡ１２と同一形状のＭＥＡを製造することができる。こうして構成された第２実施例の電解質−電極接合体の製造方法および燃料電池の製造方法によれば、第１実施例と同一の効果を奏する。なお、上記工程３ａが本発明の「第１の工程」に、工程３ｂが本発明の「第２の工程」に、工程４が本発明の「第３の工程」にそれぞれ相当する。
【００４９】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例は、第１実施例の変形例である。第１実施例では、セパレータは、平板を所定の凹凸形状を有するように加工した第１の板部と第２の板部とを、互いの凹凸が逆位相となるようにして一体的に接合したものである。これに換えて、本第３実施例では、セパレータを次の構成とした。セパレータ以外の構成については、第１実施例と同一である。
【００５０】
図６は、本発明の第３実施例に使用されるセパレータを示す斜視図である。セパレータ１２０は、両面のそれぞれに複数の凹凸の繰り返しを有することで、板状部材の両面に複数の直線状に延びる溝１２１，１２２を備えた構成である。溝１２１，１２２は、単セル内酸化剤ガス流路または単セル内燃料ガス流路となる。ＭＥＡとセパレータとの位置関係は、第１実施例と同様に、積層方向から見たとき、ガス拡散層のプレスによりつぶれた部位が溝（凹部）１２１，１２２と一致する関係である。こうして構成された第３実施例でも、第１実施例と同一の効果を奏する。
【００５１】
Ｄ．第４実施例：
前記各実施例では、セパレータはストレート溝（直線状の溝）を有する構成であったが、これに換えて、本第４実施例では、セパレータは複数の凸部を縦方向と横方向とに配列した格子溝を有する構成とした。セパレータ以外の構成については、第１実施例と同一である。
【００５２】
図７は、本発明の第４実施例に使用されるセパレータを示す斜視図である。セパレータ２２０は、両面のそれぞれに複数の凸部２２１を縦方向と横方向とに配列した構成である。複数の複数の凸部２２１により縦横の格子状の溝が構成される。
【００５３】
図８は、ＭＥＡとセパレータとの位置関係を示す説明図である。図示は、セパレータの平面を示すものであり、複数の凸部２２１が縦横に配列されている。図中のハッチングされた領域は、ＭＥＡにおけるガス拡散層のつぶれている部分の位置（積層方向からみたときの位置）を示している。このつぶれている部位Ｃは、第１実施例におけるつぶれた部位Ａと同様に、プレス機におけるプレス面に設けられた凸部によって押圧された部位である。すなわち、本実施例では、プレス機におけるプレス面に、つぶれている部位Ｃに対応した、縦方向に延びる複数のリブ（凸部）と横方向に延びる複数のリブ（凸部）とを組み合わせた格子状の凸部を有しており、このプレス機を用いてＭＥＡのガス拡散層側の面を押圧することにより、ＭＥＡを製造している。そうして、図示するように、積層方向から見たとき、ガス拡散層のプレスによりつぶれた部位Ｃがセパレータの凸部２２１と凸部２２１の間の溝と一致するように、すなわち両者が逆位相となるように、ＭＥＡとセパレータとが積層されている。
【００５４】
こうして構成された第４実施例の電解質−電極接合体の製造方法および燃料電池の製造方法によれば、セパレータが上記格子溝を有する構成であっても、第１ないし第３実施例と同様に、ガスの流れを安定化させること、セパレータによる定活を安定化させること、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗を低減することの効果を奏する。
【００５５】
Ｅ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施例や変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような他の実施形態も可能である。
【００５６】
（１）上記第１ないし第３実施例では、セパレータは直線状に延びる溝を有し、上記第４実施例では、セパレータは格子状の溝を有していたが、セパレータはこれら形状の溝を有するものに限定される必要はなく、所定の凹凸形状によりガス流路を形成するものであれば、いずれの溝形状を有するセパレータとしてもよい。
【００５７】
（２）また、上記各実施例では、アノード側、カソード側の双方のガス拡散層の表面に、セパレータの有する凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有する構成としていたが、必ずしも双方である必要はなく、アノード側、カソード側のいずれか一方のガス拡散層の表面に、セパレータの有する凹凸形状と逆位相の凹凸形状を有する構成としてもよい。
【００５８】
（３）上記実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、固体酸化物型燃料電池やリン酸型燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１実施例に係る製造方法により製造された燃料電池を模式的に示す説明図である。
【図２】燃料電池の製造方法を示す工程図である。
【図３】工程３における準備の様子を示す説明図である。
【図４】ＭＥＡとセパレータとの間の位置関係を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施例における燃料電池の製造方法を示す工程図である。
【図６】本発明の第３実施例に使用されるセパレータを示す斜視図である。
【図７】本発明の第４実施例に使用されるセパレータを示す斜視図である。
【図８】ＭＥＡとセパレータとの位置関係を示す説明図である。
【図９】従来技術の問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
１…燃料電池スタック
１０…単セル
１３…電解質膜
１４…アノード
１４ａ…電極触媒層
１４ｂ…ガス拡散層
１５…カソード
１５ａ…電極触媒層
１５ｂ…ガス拡散層
２０…セパレータ
２０ａ…第１の板部
２０ｂ…第２の板部
２０ａＳ…凸部
２０ｂＳ…凸部
２０ａＲ…凹部
２０ｂＲ…凹部
２２…単セル内酸化剤ガス流路
２４…単セル内燃料ガス流路
２６…単セル内冷却水流路
３０…積層体
５０…ホットプレス機
５１…下型
５１ａ…溝
５２…上型
１２０…セパレータ
１２１…溝
２２０…セパレータ
２２１…凸部
【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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