CN101203975A - 膜-电极组件和其制造方法以及燃料电池 - Google Patents

膜-电极组件和其制造方法以及燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明的膜－电极组件具有：四边形的高分子电解质膜(2)；一对催化剂层，设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；以及在该一对催化剂层上分别设置的一对气体扩散层(3)，膜－电极组件(1)被夹于一对隔板之间而被组装入燃料电池中，上述一对隔板在其内面的与气体扩散层相接触的区域即气体扩散层接触区域上凹陷设置有反应气体的流道(A)、(C)，其中，气体扩散层接触区域中的反应气体的流道(A)、(C)从上游向下游呈蜿蜒状形成，即在沿着高分子电解质膜的1的第1边(2a)的方向上一边折回一边沿着邻接于第1边的第2边(2b)而在从第1边向相对于该第1边的第3边(2c)的方向上延伸而形成，在高分子电解质膜2的周缘部的对应于第2边和与该第2边相对的第4边(2d)的部分上形成增强高分子电解质膜的增强部(4)，且至少在高分子电解质膜(2)的周缘部的对应于第3边(2c)的部分上没有形成增强部(4)。

Description

膜-电极组件和其制造方法以及燃料电池
技术领域
本发明涉及膜-电极组件(membrane-electrode assembly)和其制造方法以及装入了膜-电极组件的燃料电池，特别涉及高分子电解质膜的周缘部的增强构造。
背景技术
燃料电池一般是由多个单电池层叠而构成的，各个单电池是通过将膜-电极组件(MEA：membrane-electrode assembly)与配设于其周缘部的垫圈(gasket)一起用一对导电性的隔板夹住而构成的。膜-电极组件具有高分子电解质膜和设置成除了这个高分子电解质膜的周缘部以外夹住该高分子电解质膜的一对电极。各电极是由形成于高分子电解质膜上的催化剂层和设置于该催化剂层之上的气体扩散层所构成的。在各个隔板的内面，在与膜-电极组件的气体扩散层相接触的区域(以下称气体扩散层接触区域)凹陷地设置了反应气体的流道。并且，向一个隔板的反应气体的流道中供给燃料气体作为反应气体，向另一个隔板的反应气体的流道中供给氧化剂气体作为反应气体，在各个电极上分别进行化学反应。由此，在产生热的同时发电。
可是，在这种现有的燃料电池中，已知高分子电解质膜的电极的周边部分会劣化，作为其对策提出了增强高分子电解质膜的周缘部(比如参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开平10-308228号公报
发明内容
但是，关于专利文献1的燃料电池，实际上高效率地制造膜-电极组件是困难的。即，在专利文献1的燃料电池中，由于是在整周上增强高分子电解质膜的周缘部，所以不能够以整块的状态将高分子电解质膜进行连续增强加工，将用于膜-电极组件的膜片(以下称高分子电解质膜片)进行切断后，对其高分子电解质膜片分别施以增强加工。因此，不能高效率地生产膜-电极组件。
本发明是鉴于这样的问题而做出的，其目的是提供能够高效率制造的膜-电极组件和其制造方法以及将其燃料电池组合装入了的燃料电池。
本发明人等为了解决上述问题进行了悉心研究。其结果得出了如下的见解。
图9是表示从在用于研究的燃料电池中的膜-电极组件的厚度方向所看到的膜-电极组件和隔板的反应气体流道以及冷却水流道的位置关系的示意图。在图9中各个流道202～204以一条线表示，但是实际上由多条流道所构成。
如图9所示，在从膜-电极组件200的厚度方向看位于气体扩散层3的内侧的区域中，从防止液泛以及防止高分子电解质膜干燥的观点出发，反应气体流道202、203以及冷却水流道204形成为相互平行的(准确地说是折回部之间的流道相互平行的)蜿蜒状(serpentine)。在该燃料电池中，构成膜-电极组件200的高分子电解质膜201的平面形状(准确地说是电池堆的截面)形成为直角四边形，该燃料电池被设置成高分子电解质膜201的各个相对的2边分别向着垂直方向和水平方向。并且，各流道202～204形成为在沿着高分子电解质膜的上边201a的方向折回并沿着右边201b(左边201d)而在从上边201a朝向下边201c的方向上延伸的蜿蜒形状。因此，反应气体和冷却水在各单电池中一边按左右方向蛇形一边由上而下流动。因此，阳极气体的流动和阴极气体的流动的关系成为所谓的平行流。另外，高分子电解质膜201的周缘部没有被增强。
在这样的燃料电池中，进行耐久试验(在规定条件下连续发电运转)后，测定了在膜-电极组件201的主面上的气体(准确地说是氢气)的泄露量(以下称气体泄漏量)的分布，从而得到如图10所示的数据。图10是表示在所研究的燃料电池的膜-电极组件201的主面上的气体泄漏量的分布的图表。
参照图10和图9，气体泄漏量在高分子电解质膜201的周缘部较多，特别是在对应于右边201b和左边201d的部分上较多。而在对应于下边201c的部分中较少，在对应于上边201a的部分中稍多。因为气体泄漏量随高分子电解质膜的劣化而增加，所以认为该气体泄漏量的分布表示了高分子电解质膜的劣化的分布。
在对应于高分子电解质膜201的周缘部的右边201b和左边201d的部分劣化大的原因是，由于这些部分(特别是气体扩散层3的外周部分)与隔板的反应气体的流道202、203的折回部相接触，所以在沿着右边201b和左边201d的方向上，与隔板的流道相接触的部分和与隔板的非流道的部分相接触的部分交替存在。因此，推断：因电池堆的夹紧力附加在高分子电解质膜201上的压力在沿着右边201b和左边201d的方向上不均匀，附加了高压力的部分劣化就大。而对应于高分子电解质膜201的周缘部的上边201a和下边201c的部分的劣化小的原因是，因为这些部分与反应气体的流道202、203的折回之间的直线部分相接触，在沿着上边201a和下边201c的方向上存在着与隔板的流道相接触的部分和与隔板的非流道的部分相接触的部分中的任何一个，它们不混合存在。因此，推断：因电池堆的夹紧力而附加在高分子电解质膜201上的压力在沿着上边201a和下边201c的方向上均匀，劣化小。再有，对应于高分子电解质膜201的周缘部的下边201c的部分的劣化特别小的原因是，因为这个部分与反应气体的流道202、203的下游部相接触，所以推断通过由反应气体的反应所生成的水分使这个部分充分加湿，所以劣化特别小。
根据这个见解判明了，高分子电解质膜在对应于其4边中的2边的其周缘部上有必要形成增强部，该2边是沿着在隔板上形成为蜿蜒状的反应气体的流道的列状的折回部的2边，而在对应于余下的2边中的、沿着反应气体的流道的下游部的边的其周缘部，没有必要形成增强部。
于是，本发明人等根据这个见解想到了具有以下构成的本发明。本发明的膜-电极组件具有四边形的高分子电解质膜、设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜的一对催化剂层以及在该一对催化剂层上分别设置的一对气体扩散层，上述膜-电极组件被一对隔板夹住而组装入燃料电池中，上述一对隔板在其内面的与上述气体扩散层相接触的区域的气体扩散层接触区域上凹陷地设置有反应气体的流道，其中，在各个上述隔板中，在上述气体扩散层接触区域中的反应气体的流道自上游向下游形成为蜿蜒状，该蜿蜒状为：在沿着上述高分子电解质膜的1边(以下称第1边)的方向上折回并沿着邻接于上述第1边的边(以下称第2边)而在从上述第1边向着与该第1边相对的边(以下称第3边)的方向上延伸，在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第2边和与该第2边相对的边(以下称第4边)的部分上形成了增强上述高分子电解质膜的增强部，并且至少在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第3边的部分上不形成上述增强部。
也可以仅在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第2边和第4边的部分上形成上述增强部。
再则，也可以在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第1边的部分上形成上述增强部。
也可以为，上述高分子电解质膜具有形成有许多贯通孔的膜状的芯材和在该芯材的两面上填埋上述贯通孔而形成的高分子电解质层，上述增强部由通过在上述芯材的没有形成上述贯通孔的区域上形成上述高分子电解质层而得到的高强度部构成。
上述增强部也可以由配置于上述高分子电解质膜的两面的增强部件构成。
也可以为，在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第2边和第4边的部分上所形成的增强部由上述高强度部构成，在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第1边的部分，将增强部件配置于上述高分子电解质膜的两面来形成上述增强部。
另外，本发明的燃料电池具备层叠的多个单电池，上述单电池具有膜-电极组件和一对隔板，上述膜-电极组件具有四边形的高分子电解质膜、设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜的一对催化剂层以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层，上述一对隔板在其内面的气体扩散层接触区域上凹陷地设置有反应气体的流道，并且以该气体扩散层接触区域与上述气体扩散层相接触的方式夹住上述膜-电极组件，在各个上述隔板中，在上述气体扩散层接触区域中的反应气体的流道自上游向下游形成为蜿蜒状，该蜿蜒状为：在沿着上述高分子电解质膜的1边(以下称第1边)的方向上折回并沿着邻接于上述第1边的边(以下称第2边)而在从上述第1边向着与该第1边相对的边(以下称第3边)的方向上延伸，在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第2边和与该第2边相对的边(以下称第4边)的部分上形成了增强上述高分子电解质膜的增强部，并且至少在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第3边的部分上不形成上述增强部。
另外，本发明的膜-电极组件的制造方法是具有四边形的高分子电解质膜、设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜的一对催化剂层以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层的膜-电极组件的制造方法，其中，具有：准备具有规定宽度的长条的膜状的芯材的工序；在所述芯材上形成通孔形成区域和通孔非形成区域的工序，上述通孔形成区域形成有在厚度方向贯通该芯材的贯通孔，上述通孔非形成区域为实质上没有形成上述贯通孔的区域，上述通孔非形成区域沿着上述芯材的两个边缘延伸成一对带状并且上述通孔形成区域存在于剩余部分；在形成有上述通孔非形成区域和通孔形成区域的芯材的两面上以填埋上述贯通孔的方式形成高分子电解质层，并制作具有通过在上述一对通孔非形成区域上形成高分子电解质层而成的一对高强度部的长条的高分子电解质膜的工序；按规定的长度切断上述长条的高分子电解质膜从而制作膜片状的高分子电解质膜的工序；在上述膜片状的高分子电解质膜的两面上，以使至少一部分位于上述一对高强度部之间的方式形成上述一对催化剂层和气体扩散层的工序。
另外，本发明的膜-电极组件的制造方法是具有四边形的高分子电解质膜、设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜的一对催化剂层以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层的膜-电极组件的制造方法，其中，具有：准备具有规定宽度的长条的膜状的芯材的工序A；在所述芯材上形成通孔形成区域和通孔非形成区域的工序B，上述通孔形成区域形成有在厚度方向贯通上述芯材的贯通孔，上述通孔非形成区域为实质上没有形成上述贯通孔的区域，上述通孔非形成区域在上述芯材的宽度方向上呈带状延伸并在上述芯材的长度方向上以规定的间距存在多个，并且上述通孔形成区域存在于剩余部分；在形成有上述通孔非形成区域和通孔形成区域的芯材的两面上以填埋上述贯通孔的方式形成高分子电解质层，并制作具有通过在上述多个通孔非形成区域上形成高分子电解质层而成的多个高强度部的长条的高分子电解质膜的工序C；在上述多个高强度部处将上述长条高分子电解质膜切断，制作具有相当于上述规定间距的长度并且在通过上述切断形成的一对边上具有一对上述高强度部的膜片状的高分子电解质膜的工序D；在上述膜片状的高分子电解质膜的两面上，以至少一部分位于上述一对高强度部之间的方式形成上述一对催化剂层和气体扩散层的工序E。
也可以在上述工序C和上述工序D之间，具有沿着上述高分子电解质膜的至少单侧的边缘配设带状的增强部件的工序F；在上述工序D中，将上述长条的高分子电解质膜在上述多个高强度部处切断，由此制作膜片状的高分子电解质膜，该膜片状的高分子电解质膜具有相当于上述规定间距的长度，并且在由上述切断而形成的一对边上有一对上述高强度部，同时具有沿着上述一对边之间的边配置且两端被切断的上述增强部件；在上述工序E中，在上述膜片状的高分子电解质膜的两面上，以至少一部分位于上述一对高强度部和增强部件之间的方式形成上述一对催化剂层和气体扩散层。
另外，本发明的膜-电极组件具有四边形的高分子电解质膜、设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜的一对催化剂层以及在该一对催化剂层上分别设置的一对气体扩散层，上述膜-电极组件被一对隔板夹住而组装入燃料电池中，上述一对隔板在其内面的与上述气体扩散层相接触的区域的气体扩散层接触区域上凹陷地设置有反应气体的流道，其中，在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于沿着上述反应气体的流道的下游部的边的部分没有形成上述增强部。
另外，本发明人等针对反应气体的流动为所谓的逆流的情况也研究了高分子电解质膜的劣化。其结果判明了，在逆流的情况下，在矩形的高分子电解质膜的周缘部中，对应于阳极气体流道的上游部的部分和对应于阴极气体流道的上游部的部分的劣化较大。
于是，本发明的膜-电极组件具有四边形的高分子电解质膜、设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜的一对催化剂层以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层，上述膜-电极组件被一对隔板夹住而组装入燃料电池中，上述一对隔板在其内面的与上述气体扩散层相接触的区域的气体扩散层接触区域上凹陷地设置有反应气体的流道，其中，在一个上述隔板中，在上述气体扩散层接触区域中的反应气体的流道自上游向下游形成为蜿蜒状，该蜿蜒状为：在沿着上述高分子电解质膜的1边(以下称第1边)的方向上折回并沿着邻接于上述第1边的边(以下称第2边)而在从上述第1边向着与该第1边相对的边(以下称第3边)的方向上延伸，并且在另一个上述隔板中，在上述气体扩散层接触区域中的反应气体的流道自上游向下游形成为蜿蜒状，该蜿蜒状为：在沿着上述高分子电解质膜的第3边的方向上折回并沿着与上述第2边相对的边(以下称第4边)而在从上述第3边向着上述第1边的方向上延伸，在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第1边和上述第3边的部分上形成了增强上述高分子电解质膜的增强部，并且在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第2边和上述第4边的部分上不形成上述增强部。进而，本发明人等也针对反应气体的流动为所谓的垂直流的情况对高分子电解质膜的劣化进行了研究。其结果判明了，在垂直流的情况下，在矩形的高分子电解质膜的周缘部的中，对应于阳极气体流道的上游部的部分和对应于阴极气体流道的上游部的部分的劣化很大。
于是，本发明的膜-电极组件具有四边形的高分子电解质膜、设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜的一对催化剂层以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层，上述膜-电极组件被一对隔板夹住而组装入燃料电池中，上述一对隔板在其内面的与上述气体扩散层相接触的区域的气体扩散层接触区域上凹陷地设置有反应气体的流道，其中，在一个上述隔板中，上述气体扩散层接触区域中的反应气体的流道自上游向下游形成为蜿蜒状，该蜿蜒状为：在沿着上述高分子电解质膜的1边(以下称第1边)的方向上折回并沿着邻接于上述第1边的边(以下称第2边)而在从上述第1边向着与该第1边相对的边(以下称第3边)的方向上延伸，并且在另一个上述隔板中，上述气体扩散层接触区域中的反应气体的流道自上游向下游形成为蜿蜒状，该蜿蜒状为：在沿着上述高分子电解质膜的第2边的方向上折回并沿着上述第1边而在从上述第2边向着与该第2边相对的边(以下称第4边)的方向上延伸，在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第1边和上述第2边的部分上形成了增强上述高分子电解质膜的增强部，并且在上述高分子电解质膜的周缘部的对应于上述第3边和上述第4边的部分上不形成上述增强部。另外，本发明的膜-电极组件的制造方法是具有四边形的高分子电解质膜、设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜的一对催化剂层以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层的膜-电极组件的制造方法，其中，具有：准备具有规定宽度的长条的膜状的芯材的工序；在所述芯材上形成通孔形成区域和通孔非形成区域的工序，上述通孔形成区域形成有在厚度方向贯通上述芯材的贯通孔，上述通孔非形成区域为实质上没有形成上述贯通孔的区域，上述通孔非形成区域在上述芯材的宽度方向上呈带状延伸并在上述芯材的长度方向上以规定的间距存在多个，并且上述通孔形成区域存在于剩余部分；在形成有上述通孔非形成区域和通孔形成区域的芯材的两面上以填埋上述贯通孔的方式形成高分子电解质层，并制作具有通过在上述多个通孔非形成区域上形成高分子电解质层而得到的多个高强度部的长条的高分子电解质膜的工序；沿着上述高分子电解质膜的单侧的边缘配设带状的增强部件的工序；在上述多个高强度部的附近将上述长条的高分子电解质膜切断，由此制作膜片状的高分子电解质膜，该膜片状的高分子电解质膜具有相当于上述规定间距的长度，并且具有沿着由上述切断而形成的边的上述高强度部，同时具有沿着与上述边相邻的边配置且两端被切断的上述增强部件；在上述膜片状的高分子电解质膜的两面上，以使至少一部分位于上述高强度部和增强部件与同它们相对的边之间的方式形成上述一对催化剂层和气体扩散层的工序。
本发明的上述目的、其他目的、特征以及优点，参照附图，并根据以下优选的实施方式的详细说明，可以明确。
本发明具有如上所述的构成，起到可以提供可高效率制造的膜-电极组件和其制造方法以及将其组装后的燃料电池的效果。
附图说明
[图1]图1是表示本发明第1实施方式的膜-电极组件相对于隔板的反应气体流道和冷却水流道的从其厚度方向所见的位置关系的示意图。
[图2]图2是表示图1的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的IIB-IIB线的截面的截面图。
[图3]图3(a)和图3(b)是表示本发明的第1实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。
[图4]图4是表示本发明的第2实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的IVB-IVB线的截面的截面图。
[图5]图5(a)和图5(b)是表示本发明的第2实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。
[图6]图6(a)和图6(b)是表示本发明的第2实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。
[图7]图7是表示本发明的第3实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的VIIB-VIIB线的截面的截面图，(c)是表示沿着(a)的VIIC-VIIC线的截面的截面图。
[图8]图8是表示本发明的第4实施方式的燃料电池的构成的一部分分解立体图。
[图9]图9是表示从用于本发明的课题研究的燃料电池中的膜-电极组件的厚度方向所见的膜-电极组件和隔板的反应气体流道以及冷却水流道的位置关系的示意图。
[图10]图10是表示在用于本发明的课题研究的燃料电池的膜-电极组件的主面上的气体泄漏量的分布的图表。
[图11]图11是表示本发明的第5实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的XIB-XIB线的截面的截面图，(c)是表示沿着(a)的XIC-XIC线的截面的截面图。
[图12]图12是表示本发明的第6实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的XIIB-XI0IB线的截面的截面图，(c)是表示沿着(a)的XIIC-XIIC线的截面的截面图。
[图13]图13是表示本发明的第7实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的XIIIB-XIIIB线的截面的截面图，(c)是表示沿着(a)的XIIIC-XIIIC线的截面的截面图。
[图14]图14是表示本发明的第8实施方式的膜-电极组件相对于隔板的反应气体流道和冷却水流道的从其厚度方向所见的位置关系的示意图。
[图15]图15(a)和图15(b)是表示本发明的第8实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。
[图16]图16是表示本发明的第9实施方式的膜-电极组件相对于隔板的反应气体流道和冷却水流道的从其厚度方向所见的位置关系的示意图。
[图17]图17(a)和图17(b)是表示本发明的第9实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。
[图18]图18(a)和图18(b)是表示本发明的第10实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。
[图19]图19(a)和图19(b)是表示本发明的第11实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。
符号说明
1膜-电极组件
2高分子电解质膜
2a～2d高分子电解质膜的边
3气体扩散层
4增强部
5催化剂层
6增强部件
7A，7B垫圈
8A阳极隔板
8B阴极隔板
9单电池
10集电板
11端板
21A燃料气体供给集流管(manifold)孔
21B燃料气体排出集流管孔
22A氧化剂气体供给集流管孔
22B氧化剂气体排出集流管孔
23A冷却水供给集流管孔
23B冷却水排出集流管孔
51芯材
51a通孔非形成区域
51b通孔形成区域
52卷筒(roll)
53卷筒
54卷筒
101燃料电池
103蜿蜒状流道的宏观延伸方向
104交叉于蜿蜒状流道的宏观延伸方向的方向
201高分子电解质膜
201a～201d高分子电解质膜的边
202，203反应气体的流道
204冷却水的流道
A燃料气体流道
C氧化剂气体流道
W冷却水流道
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的优选实施方式。
(第1实施方式)
图1是表示本发明的第1实施方式的膜-电极组件的相对于隔板的反应气体流道和冷却水流道的从其厚度方向所见位置关系的示意图。图2是表示图1的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的IIB-IIB线的截面的截面图。
如图2(a)和图2(b)所示，本实施方式的膜-电极组件1具有高分子电解质膜2。在该高分子电解质膜2的除了周缘部以外的部分的两个面上分别形成一对催化剂层5，在该一对催化剂层5之上分别设置一对气体扩散层3。气体扩散层3在此设置成也覆盖催化剂层5的端面。于是催化剂层5和气体扩散层3构成了电极。
高分子电解质膜(准确地说是高分子电解质膜片)2在此通过在形成有许多贯通孔的膜状的芯材(图3的芯材51)的两个面上以填埋其贯通孔的方式形成高分子电解质层而构成。对于芯材的材料，比如适宜使用聚苯硫醚(polyphenyl sulfide，PPS)。该芯材由PPS构成的情况下，在膜状芯材上由冲孔形成厚度方向的贯通孔(通透孔：through hole)。对于高分子电解质层的材料，适宜使用具有质子传导性的电解质，比如全氟磺酸。在图2(a)和图2(b)中，高分子电解质膜2的着色部分是在芯材上形成了通透孔的部分，即非增强部。而高分子电解质膜2的非着色部分4是在芯材上没有形成通透孔的部分，即增强部。该高强度部4因为没有形成通透孔，所以不会因为通透孔的形成而降低强度，具有芯材的本来的强度。该高强度部4沿着高分子电解质膜2的相对的2边2b，2d形成带状。关于该高强度部4的配设位置在后面加以详述。气体扩散层3的周缘部，在此形成于该高分子电解质膜2的高强度部4的上面。当然，气体扩散层3的周缘部也可以不形成于高强度部4的上面。
催化剂层5，比如由担载了铂等催化剂的导电性载体构成。对于导电性载体的材料，比如适宜使用科琴碳黑(Ketjen Black)和乙炔黑等。气体扩散层3由多孔性导电体构成。作为多孔性导电体，比如适宜使用碳无纺布和碳纸等。
下面对于高分子电解质膜2的高强度部4的配设位置作详细说明。
在图1中，在使用本实施方式的膜-电极组件1的燃料电池(第4实施方式)中，电池堆的截面形成为直角四边形，因此构成膜-电极组件1的高分子电解质膜2也形成为具有直角四边形的平面形状。于是，该燃料电池被设置成高分子电解质膜2的各个相对的2边分别朝着垂直方向和水平方向。以下，为方便起见，按照图1所示方向将该高分子电解质膜2的各边分别称为上边2a(第1边)、右边2b(第2边)、下边2c(第3边)和左边2d(第4边)。
图1表示从其背面(阴极侧的主面)侧观察设置状态的膜-电极组件1所见的外观。在图1中，以重叠于膜-电极组件1的背面的外观的方式表示形成于各个隔板上的反应气体的流道A、C和冷却水流道W。在图1中，反应气体流道A、C和冷却水流道W是以一条线表示的，但是实际上是由多条流道构成的。
在高分子电解质膜2的上缘部，在其右侧部分形成有冷却水供给集流管孔23A。在高分子电解质膜2的右缘部，在其上侧部分形成有氧化剂气体供给集流管孔22A。在高分子电解质膜2的下缘部，在其右侧部分形成有燃料气体排出集流管孔21B，在其左侧部分形成有氧化剂气体排出集流管孔22B。在高分子电解质膜2的左缘部，在其上侧部分形成有燃料气体供给集流管孔21A，在其下侧部分形成有冷却水排出集流管孔23B。
在各个隔板上，形成了对应于这些各个集流管孔21A～23B的集流管孔，高分子电解质膜2和各个隔板的各个集流管孔分别相连，分别形成了燃料气体供给集流管、燃料气体排出集流管、氧化剂气体供给集流管、氧化剂气体排出集流管、冷却水供给集流管和冷却水排出集流管。
在阳极隔板上，作为一个反应气体的流道的燃料气体流道A以从燃料气体供给集流管孔到燃料气体排出集流管孔的方式形成于内面(与膜-电极组件1相接触的面)，冷却水流道W以从冷却水供给集流管孔到冷却水排出集流管孔的方式形成于外面(和内面相反的一侧的面)。
在阴极隔板上，作为另一个反应气体的流道的氧化剂气体流道C以从氧化剂气体供给集流管孔到氧化剂气体排出集流管孔的方式形成于内面(接触于膜-电极组件1的面)，冷却水流道W以从冷却水供给集流管孔到冷却水排出集流管孔的方式形成于外面(和内面相反的一侧的面)。
燃料气体流道A、氧化剂气体流道C和冷却水流道W，在从膜-电极组件1的厚度方向看位于气体扩散层3的内侧的区域，形成蜿蜒状。在此，所谓的蜿蜒状的流道是指，在本发明中，尽管在微观上是以与某方向103交叉的方式弯弯曲曲的但是在宏观上形成为朝着上述某方向103延伸的流道。在本实施方式中，蜿蜒状流道是，在微观上将沿着与上下方向(沿着右边2b和左边2d的方向)103垂直的方向即左右方向(沿着上边2a和下边2c的方向)104作规定距离延伸继尔进行折回、然后在左右方向上的反方向作规定距离延伸继尔折回的区域进行反复，宏观上以沿着上下方向103延伸的方式形成。
然后，从防止液泛和防止高分子电解质膜干燥的观点出发，各个流道A、C、W以相互平行的方式形成折回部之间的流道。另外，流经各个流道A、C、W的折回部之间的部分的流体的方向可以为相互相同的方向也可以为相反的方向。还有，折回部之间的流道也可以不与宏观上的流道的延伸方向103垂直。
在本实施方式中，反应气体和冷却水在各单电池内从各个供给集流管流入各个流道A、C，使其一边在左右方向上蛇行一边由上而下流动，然后流向各个排出集流管。在本发明中，将如此的阳极气体的流动和阴极气体的流动的关系称之为平行流(一般性也是这样称谓)。
并且，在本实施方式中，沿着蜿蜒状的各个流道A、C、W的列状的折回部的顺着的边的右边2b和左边2d形成了带状的高分子电解质膜的高强度部4。
通过形成这样的构成，利用高强度部4在强度上增强了在耐久试验中劣化大的、对应于蜿蜒状的各个流道A、C、W的列状的折回部的顺着的边即右边2b和左边2d的高分子电解质膜2的周缘部(准确地说是气体扩散层3(电极)的周边部)，所以能够减少高分子电解质膜2的劣化。另外，与在整周上对高分子电解质膜2的周缘部进行增强的情况相比，可以在增强部减少的情况下高效率地制造膜-电极组件1。
下面就如上所述构成的膜-电极组件1的制造方法加以说明。
图3(a)和图3(b)是表示本实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。
在制造膜-电极组件的过程中，首先，通过冲孔在整块的芯材51上形成许多通透孔。加工前的芯材51被卷成卷筒(未图示)的状态，一边抽出该被卷着的芯材一边进行冲孔加工，该加工后的芯材51被卷绕成卷筒52的状态。芯材51被加工(切割)成规定的宽度(高分子电解质膜片的宽度：上边2a和下边2c的长度)L2。并且，在冲孔加工时，在芯材51被冲孔成，沿着其两个边缘的规定的带状区域51a中不形成通透孔，在其他区域(以下称通孔形成区域)51b中形成通透孔(图3(a))。该不形成通透孔的区域(以下称通孔非形成区域)51a是应该成为图2的高强度部4的区域。
接着，在芯材51的两个面上填埋通透孔而形成高分子电解质层。该工序也是通过将加工前的芯材从卷筒上抽出、加工后卷绕成卷筒而进行。由此，具有带状的高强度部4的高分子电解质膜2被制作成。
接着，如图3(b)所示，将高分子电解质膜2一边从卷筒上抽出一边切割成规定的长度(高分子电解质膜片的长度：左边2d和右边2b)L1。由此，形成了矩形的膜片状的高分子电解质膜2。
接着，如图2(a)和图2(b)所示，在该矩形的膜片状的高分子电解质膜2的两个面上按顺序设置催化剂层5和气体扩散层3。该工序由于是公知的，所以省略其详细说明。接着，在该矩形的膜片状的高分子电解质膜2的周缘部的规定位置上，形成了阳极气体供给集流管孔21A、阳极气体排出集流管孔21B、阴极气体供给集流管孔22A、阴极气体排出集流管孔22B、冷却水供给集流管孔23A和冷却水排出集流管孔23B。
如此制作成了膜-电极组件1。
根据上述的膜-电极组件的制造方法，能够在切断成用于膜-电极组件1的膜片(高分子电解质膜片)之前，以整块的状态连续地在高分子电解质膜2上形成高强度部4，所以能够高效率地制造膜-电极组件1。
[变形例1]
在本变形例中，芯材51由多孔的Japan Gore-Tex Inc.制·商品名“GORE-SELECT(II)”构成。并且，在图3(a)所示的工序中，代替冲孔，而通过以一对热辊将芯材51的规定区域夹住的方式进行挤压，该规定区域的芯材51的空隙(孔)被挤坏，从而形成了通孔非形成区域51a(高强度部4)。由本变形例，也能够得到与上述情况同样的效果。
[变形例2]
在本变形例中，芯材51由多孔的聚四氟乙烯(PTFE)构成。并且，在图3(a)所示的工序中，代替冲孔，首先，以固定手段固定芯材51的应该成为通孔非形成区域51a(高强度部4)的部分(芯材51的宽度方向的2处，图3(a)中的带状区域51a)从而朝着宽度方向延伸芯材51(此时带状区域51a以外的部分被延伸)，随后，解除该固定而以一对挤压辊朝着长度方向延伸芯材51(此时，图3(a)中的带状区域51a和该带状区域51a以外的区域51b二者都被延伸)。由此，以固定手段固定的部分只朝着芯材的长度方向延伸，所以可以使带状区域51a的厚度与其他区域51b的厚度相比较更大。因此，可以使带状区域51a(对应于高分子电解质膜2的周边部的区域)的机械强度高于其他区域51b的机械强度。通过如此的本变形例能够得到本发明的效果。
这样，在本实施方式中，仅在高分子电解质膜的周缘部中的对应于互相相对的2边的部分上形成高强度部4，从而能够以整块的状态连续地对高分子电解质膜2进行增强加工，所以能够高效率地生产膜-电极组件。另外，可以与高分子电解质膜的周缘部的增强部分减少的情况相对应而提高膜-电极组件的生产效率。
(第2实施方式)
图4是表示本发明的第2实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的IVB-IVB线的截面的截面图。在图4中用与图2相同的符号表示相同或相当的部分。
如图4所示，在本实施方式的膜-电极组件1中，代替第1实施方式的高强度部4，而用增强部件6增强高分子电解质膜2。这以外的方面与第1实施方式相同。
具体是，高分子电解质膜2是由在内部没有芯材的高分子电解质膜构成的。而且，在高分子电解质膜2的周缘部中的对应于右边2b和左边2d的部分上，分别沿着右边2b和左边2d配设了一对规定宽度的板状的增强部件6。增强部件6在高分子电解质膜2的两个面上分别被配设一对。催化剂层5以两侧与一对增强部件6相接触的方式形成，气体扩散层3设置于催化剂层5和增强部件6的一部分之上。对于增强部件6的材料，适宜使用比如PPS、PTFE等的树脂。
以下说明如上所述构成的膜-电极组件的制造方法。
图5(a)、图5(b)、图6(a)和图6(b)是表示本实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。
在本实施方式中，首先，如图5(a)所示，将高分子电解质膜2加工(切长条，slit)成具有规定的宽度(高分子电解膜片的宽度)L2的整料，而后卷绕成卷筒53。接着，如图5(b)所示，将高分子电解质膜2从卷筒53上抽出并切割成规定的长度(高分子电解质膜片的长度)L1。
随后，如图6(a)和图6(b)所示，在膜片状的高分子电解质膜(高分子电解质膜片)2的两个面上形成了一对催化剂层5。其后，以接触于各催化剂层5的两侧(左右方向的端部)的方式配设一对增强部件6。具体为，将增强部件6切割成规定长度的带状物并以以贴于高分子电解质膜2上的方式配置。
随后，如图4(a)和图4(b)所示，在催化剂层5和增强部件6的一部分之上设置了气体扩散层3。
根据如以上说明的本实施方式，与在整周上增强高分子电解质膜的周缘部的情况相比较，可以与高分子电解质膜的周缘部的增强部分减少的情况相对应而提高膜-电极组件1的生产效率。
(第3实施方式)
图7是表示本发明的第3实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的VIIB-VIIB线的截面的截面图，(c)是表示沿着(a)的VIIC-VIIC线的截面的截面图。在图7中，与图2同样的符号表示相同或相当的部分。
如图7所示，在本实施方式的膜-电极组件1中，在第1实施方式的膜-电极组件1上进一步沿着上边2a配设增强部件6。除此以外与第1实施方式相同。
具体是，增强部件6是在高分子电解质膜2的周缘部中的对应于上边2a的部分上沿着该上边2a进行配设的。增强部件6分别配设于高分子电解质膜2的两个面上。催化剂层5以上侧与增强部件6相接触的方式形成，气体扩散层3设置于催化剂层5和增强部件6的一部分之上。
下面说明如上所述构成的膜-电极组件的制造方法。
本实施方式的膜-电极组件的制造方法中直到在高分子电解质膜2的两个面上形成一对催化剂层5为止的工序，与第1实施方式的膜-电极组件的制造方法相同。
其后，以与催化剂层5的上侧相接触的方式在高分子电解质膜2的上面配设增强部件6，然后，在催化剂层5和增强部件6的一部分之上形成了气体扩散层3。
根据如以上说明的本实施方式，因为高分子电解质膜2的周缘部中的对应于上边2a的部分也被增强，所以能够进一步减少高分子电解质膜2的劣化。另外，与在整周上增强高分子电解质膜的周缘部的情况相比较，可以与高分子电解质膜的周缘部的增强部分减少的情况相对应而提高膜-电极组件1的生产效率。
(第4实施方式)
图8是表示构成本发明的第4实施方式的燃料电池的构成的一部分分解立体图。在图8中与图2相同的符号表示相同或相当的部分。
本实施方式的燃料电池101，层叠了规定数量的单电池9并在其两端配置集电板10和端板11，它们是由未图示的杆以规定压力紧固而构成。单电池9是通过在膜-电极组件1的周缘部的两个面上配设了一对垫圈7A，7B并用阳极隔板8A和阴极隔板8B夹住它们而构成。膜-电极组件1是由第1实施方式至第3实施方式以及后述的第5实施方式至第11实施方式的任何一个膜-电极组件所构成。还有，在图8中省略了在邻接的单电池9之间配设的冷却水密封部件的图示。
根据本实施方式，得到在第1实施方式至第3实施方式中所述的效果和在第5实施方式至第11实施方式中所述的效果。
(第5实施方式)
本发明的第5实施方式例示了在3边上实施了关于平行流而需要的增强的膜-电极组件。换言之，表示第4实施方式所涉及的膜-电极组件1的变形例。
图11是表示本实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的XIB-XIB线的截面的截面图，(c)是表示沿着(a)的XIC-XIC线的截面的截面图。在图11中，与图2相同的符号表示相同或相当的部分。
如图11所示，本实施方式的膜-电极组件1是，在第1实施方式的膜-电极组件1中进一步沿着上边2a形成了高强度部4。除此以外与第1实施方式相同。
具体是，高强度部4是在高分子电解质膜2的周缘部中对应于上边2a、右边2b和左边2d的部分上沿着该上边2a、右边2b和左边2d形成的。
在制造如上所述构成的膜-电极组件的过程中，首先，按规定长度切割整块的芯材从而形成矩形的膜片状。接着，通过对该矩形的膜片状的芯材进行冲孔加工而将通孔非形成区域和通孔形成区域形成于该膜片状的芯材上。该通孔非形成区域在对应于膜片状的芯材的3边(应该成为膜片的高分子电解质膜2的上边2a、右边2b和左边2d的边)的部分上沿着该3边形成为倒U字状。然后，完成与实施方式1相同的工序。即，在该膜片状的芯材的两个面上形成高分子电解质层，使该芯材成为膜片的高分子电解质膜2。由此，如图11所示，在高分子电解质膜2的周缘部中对应于上边2a、右边2b和左边2d的部分上沿着该上边2a、右边2b和左边2d形成了高强度部4。接着，在该高分子电解质膜2的两个面上形成了催化剂层5和气体扩散层3。然后，在该高分子电解质膜2的周缘部的规定位置上形成了规定的集流管孔。这样，制造出了本实施方式的膜-电极组件。
根据本实施方式，因为在高分子电解质膜2的周缘部中对应于上边2a的部分也被增强，所以能够进一步减少高分子电解质膜2的劣化。另外，与在整周上增强高分子电解质膜的周缘部的情况相比较，可以与高分子电解质膜的周缘部的增强部分减少的情况相对应而提高膜-电极组件1的生产效率。
(第6实施方式)
本发明第6实施方式例示了在3条边上实施了有关平行流所必要的增强的膜-电极组件。换言之，表示第4实施方式所涉及的膜-电极组件1的变形例。
图12是表示本实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的XIIB-XI0IB线的截面的截面图，(c)是表示沿着(a)的XIIC-XIIC线的截面的截面图。在图12中，与图4相同的符号表示相同或相当的部分。
如图12所示，本实施方式的膜-电极组件1是，在第2实施方式的膜-电极组件1中进一步沿着上边2a配设了增强部件6。除此以外与第2实施方式相同。
具体是，增强部件6是在高分子电解质膜2的周缘部中对应于上边2a、右边2b和左边2d的部分上沿着该上边2a、右边2b和左边2d配设的。增强部件6分别配设于高分子电解质膜2的两个面上。另外，如此构成的膜-电极组件的制造方法，除了在膜片状的高分子电解质膜2的两个面上形成一对催化剂层5之后，以接触于各催化剂层5的上端、左端和右端的方式配设3个增强部件6之外，与第2实施方式的膜-电极组件的制造方法相同。
根据本实施方式，因为在高分子电解质膜2的周缘部中对应于上边2a的部分也被增强，所以能够进一步减少高分子电解质膜2的劣化。另外，与在整周上增强高分子电解质膜的周缘部的情况相比较，可以与高分子电解质膜的周缘部的增强部分减少的情况相对应而提高膜-电极组件1的生产效率。
(第7实施方式)
本发明的第7实施方式例示了在3条边上实施了有关平行流所必要的增强的膜-电极组件。换言之，表示第4实施方式所涉及的膜-电极组件1的变形例。
图13是表示本实施方式的膜-电极组件的构成的图，(a)是平面图，(b)是表示沿着(a)的XIIIB-XIIIB线的截面的截面图，(c)是表示沿着(a)的XIIIC-XIIIC线的截面的截面图。在图13中，与图7相同的符号表示相同或相当的部分。
如图13所示，在本实施方式的膜-电极组件1中，在具有芯材51(参照图3)的高分子电解质膜2的周缘部中的对应于上边2a的部分上沿着该上边2a形成高强度部4，在对应于左边2d和右边2b的部分上沿着该左边2d和右边2b配设一对增强部件6。除此以外的膜-电极组件1的构成与第3实施方式相同。
如此构成的膜-电极组件1的制造方法在后面的实施方式中加以详细说明。
根据如此的本实施方式，因为在高分子电解质膜2的周缘部中对应于上边2a的部分也被增强，所以能够进一步减少高分子电解质膜2的劣化。另外，与在整周上增强高分子电解质膜的周缘部的情况相比较，可以与减少高分子电解质膜的周缘部的增强部分的情况相对应而提高膜-电极组件1的生产效率。
(第8实施方式)
第1实施方式至第7实施方式例示了反应气体的流动是平行流的情况下的实施方式，而本发明的第8实施方式例示了反应气体的流动是在逆流的情况下的实施方式。
图14是表示本实施方式的膜-电极组件的隔板相对于反应气体流道和冷却水流道的从其厚度方向所见的位置关系的示意图。在图14中，与图1相同的符号表示相同或相当的部分。
本实施方式在以下方面与第1实施方式不同，其他方面与第1实施方式相同。在本实施方式中，如图14所示，在膜-电极组件1中，在高分子电解质膜2的周缘部中对应于上边2a和下边2c的部分上沿着该上边2a和下边2c形成了一对高强度部4。
然后，在本实施方式中，在一对隔板中的反应气体以及冷却水的流道A、C、W和在膜-电极组件1中的全部集流管孔的位置及形状与第1实施方式相同。但是，第一，在膜-电极组件1上的阴极气体供给集流管孔22A和阴极气体排出集流管孔22B在本实施方式和第1实施方式中是相反的。也就是说，第1实施方式中的阴极气体排出集流管孔22B在本实施方式中变成了阴极气体供给集流管孔22A，第1实施方式中的阴极气体供给集流管孔22A在本实施方式中变成了阴极气体排出集流管孔22B。因此，在本实施方式中，在阴极隔板上阴极气体沿着与第1实施方式相反的方向流经阴极气体流道C。其结果是，在本实施方式中，从膜-电极组件1的厚度方向观察，阴极气体相对于阳极气体在宏观上沿着相反方向流动。也就是说，在阳极隔板上，接触于气体扩散层3的区域中的阳极气体的流道A从上游朝着下游，呈蜿蜒状形成，该蜿蜒状为在沿着高分子电解质膜2的上边2a的方向上一边折回一边沿着右边2b，在从上边2a朝向下边2c的方向上延伸；在阴极隔板上，接触于气体扩散层3的区域中的阴极气体流道C从上游朝着下游呈蜿蜒状形成，该蜿蜒状为在沿着高分子电解质膜2的下边2c的方向上一边折回一边沿着左边2d，在从下边2c向上边2a的方向上延伸。因此，阳极气体的流动和阴极气体的流动的关系成为逆流。
第二，膜-电极组件1上的冷却水供给集流管孔23A和冷却水排出集流管孔23B在本实施方式与第1实施方式中是相反的。也就是说，第1实施方式中的冷却水排出集流管孔23B在本实施方式中变成了冷却水供给集流管孔23A，第1实施方式中的冷却水供给集流管孔23A在本实施方式中变成了冷却水排出集流管孔23B。因此，在本实施方式中，在阴极隔板和阳极隔板上，冷却水沿着与第1实施方式相反的方向流经冷却水流道W。其结果是，在本实施方式中，从膜-电极组件1的厚度方向观察，冷却水在宏观上相对于阳极气体沿着相反方向流动。还有，冷却水在宏观上相对于阴极气体沿着相同方向流动。
本发明人等，对于这样的逆流，与平行流的情况同样研究了高分子电解质膜的劣化。其结果判明了，在逆流的情况下，在矩形的高分子电解质膜2的周缘部中，对应于上边2a的部分和对应于下边2c的部分的劣化为最大。对应于上边2a的部分是对应于阳极气体流道A的上游部(阳极气体的入口侧)的部分，对应于下边2c的部分是对应于阴极气体流道C的上游部(阴极气体的入口侧)的部分。
在本实施方式的膜-电极组件1中，在这些高分子电解质膜2的周缘部中的对应于上边2a和下边2c的部分上分别形成了高强度部4，所以能够防止这些部分的劣化。
下面说明如上所述构成的本实施方式的膜-电极组件1的制造方法。
图15(a)和图15(b)是表示本实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。在图15(a)和图15(b)中，与图3(a)和图3(b)相同的符号表示相同或相当的部分。
本实施方式的膜-电极组件的制造方法是，除了以下方面，与第1实施方式的膜-电极组件的制造方法相同。
在本实施方式中，如图15(a)所示，芯材51被加工(切长条)成相当于图14的高分子电解质膜片宽度(上边2a和下边2c的长度)的规定宽度L2的整料。然后，在该整块的芯材51上由冲孔以规定的间距形成在宽度方向的全长上延伸的带状的通孔非形成区域51a。该规定的间距是相当于图14的高分子电解质膜片的长度(左边2d和右边2b的长度)L1的间距。该冲孔加工而成的芯材51经过与第1实施方式相同的工序，加工成高分子电解质膜2并卷绕成卷筒。在该高分子电解质膜2中，芯材51的通孔非形成区域51a成为了高强度部4。
然后，如图15(b)所示，一边从卷筒上抽出高分子电解质膜2，一边在高强度4处切割，成为规定的长度L1的膜片。由此，制作成了膜片状的高分子电解质膜2。在该膜片状的高分子电解质膜2上施以与第1实施方式相同的加工，制作成了图14所示的膜-电极组件1。
根据如此的本实施方式的膜-电极组件制造方法，在切断成使用于膜-电极组件1中的膜片(高分子电解质膜片)之前，可以以整料的状态连续在高分子电解质膜2上形成有关逆流所必要的高强度部4，所以能够高效率地制造膜-电极组件1。
另外，也可以根据第1实施方式的膜-电极组件的制造方法制造本实施方式的膜-电极组件1。此时，在图3(a)中，也可以将芯材51的规定的宽度作为图14的高分子电解质膜(膜片)2的长度L1，在图3(b)中，也可以将高分子电解质膜2按相当于图14的高分子电解质膜(膜片)2的宽度的长度L2加以切割。
另外，相反，也可以将本实施方式的膜-电极组件的制造方法应用于第1实施方式的膜-电极组件的制造方法中。此时，在图15(a)和图15(b)中，可以将芯材51的规定的宽度作为图1的高分子电解质膜(膜片)2的长度L1，可以将高强度部4的间距作为图1的高分子电解质膜(膜片)2的宽度L2。
(第9实施方式)
本发明的第9实施方式例示反应气体的流动为垂直流的情况的实施方式。
图16是表示本实施方式的膜-电极组件的隔板相对于反应气体流道和冷却水流道的从其厚度方向所见的位置关系的示意图。在图16中与图1相同的符号表示相同或相当的部分。
本实施方式在以下方面与第1实施方式不同，其他方面与第1实施方式相同。在本实施方式中，如图16所示，在膜-电极组件1中，在高分子电解质膜2的周缘部中对应于右边2b的部分上沿着该右边2b形成了高强度部4，在对应于上边2a的部分上沿着该上边2a配设增强部件6。
并且，在本实施方式中，一对隔板上的阳极气体流道A和冷却水流道W以及膜-电极组件1上的全部集流管孔的位置及形状与第1实施方式相同。可是，在阴极隔板上的阴极气体流道C与第1实施方式不同，从膜-电极组件1的厚度方向观察，相对于阳极气体流道A宏观上以垂直的方式形成。即，阳极气体的流动和阴极气体的流动的关系成为垂直流。具体是，阴极气体流道C在微观上在与左右方向(沿着上边2a和下边2c的方向)104垂直的方向上，即上下方向(沿着右边2b和左边2d的方向)103上，延伸规定距离，并在那里折回，从该折回处出发在上下方向上的逆方向上延伸规定距离，再在那里折回，重复这些区域，从而在宏观上在左右方向104上延伸的方式形成。而，阳极气体流道A在宏观上以沿着上下方向103延伸的方式形成，所以阳极气体流道A和阴极气体流道C在宏观上以垂直的方式形成。
下面说明如上所述构成的本实施方式的膜-电极组件1的制造方法。
本发明人等，对于如此的垂直流，与平行流的情况同样研究了高分子电解质膜的劣化。其结果判明了，垂直流的情况中，在矩形的高分子电解质膜2的周缘部中，对应于上边2a的部分和对应于右边2b的部分的劣化最大。对应于上边2a的部分是对应于阳极气体流道A的上游部(阳极气体的入口侧)的部分，对应于右边2b的部分是对应于阴极气体流道C的上游部(阴极气体的入口侧)的部分。
在本实施方式的膜-电极组件1中，在高分子电解质膜2的周缘部中的对应于上边2a的这些部分上配设了增强部件6，并且在对应于右边2b的部分上形成了高强度部4，所以能够防止这些部分的劣化。
下面说明如上所述构成的本实施方式的膜-电极组件1的制造方法。
图17(a)和图17(b)是表示本实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。在图17(a)和图17(b)中，与图15(a)和图15(b)相同的符号表示相同或相当的部分。
本实施方式的膜-电极组件的制造方法除了以下方面以外，与第1实施方式的膜-电极组件的制造方法相同。
在本实施方式中，首先，如下所述制作高分子电解质膜。该工序除了制作成的芯材(进而是高分子电解质膜)的宽度尺寸和通孔非形成区域(进而是增强部)的间距不同以外，与第8实施方式相同。因此，参照图15(a)说明该工序。在图15(a)中，芯材51被加工(切长条)成相当于图16的高分子电解质膜片的长度(左边2d和右边2b的长度)的规定宽度L1的整料。然后，在该整块的芯材51上由冲孔以规定的间距形成在宽度方向的全长上延伸的带状通孔非形成区域51a。该规定的间距是相当于图16的高分子电解质膜片的宽度(上边2a和下边2c的长度)L2的间距。该由冲孔加工而成的芯材51经过与第1实施方式相同的工序，被加工成高分子电解质膜2，并被卷绕成卷筒52。在该高分子电解质膜2中，芯材51的通孔非形成区域51a变成了高强度部4。
接着，如图17(a)所示，在该整块的高分子电解质膜2的两个面上沿着单侧的边缘贴上带状的增强部件6。该增强部件6的贴附，如众所周知的，比如可以通过从卷筒上将整块的高分子电解质膜2抽出，在该抽出的高分子电解质膜2的两个面上供给带状的增强部件6，使它们通过一对挤压辊之间来进行。贴上了该增强部件6的整块的高分子电解质膜2被卷绕成卷筒54。
其后，如图17(b)所示，一边从卷筒54上抽出整块的高分子电解质膜2，一边在紧挨着高强度部4的后面的部分处进行切割，从而成为规定长度L2的膜片。由此制作成了膜片状的高分子电解质膜2。在该膜片状的高分子电解质膜2上实施与第1实施方式相同的加工，从而制作成了图16所示的膜-电极组件1。
根据如此的本实施方式的膜-电极组件制造方法，可以在切断成使用于膜-电极组件1中的膜片(高分子电解质膜片)之前，以整料的状态连续在高分子电解质膜2上形成有关逆流所必要的高强度部4，并且配设增强部件6，所以能够高效率地制造膜-电极组件1。
(第10实施方式)
本发明的第10实施方式例示在3条边上实施了有关平行流所需要的增强的膜-电极组件的高效率的制造方法。换言之，表示第3实施方式所涉及的膜-电极组件1的制造方法的变形例。
图18(a)和图18(b)是表示本发明的第10实施方式所涉及的膜-电极组件的制造工序的示意图。在图18(a)和图18(b)中，与图17(a)和图17(b)相同的符号表示相同或相当的部分。
如图18(a)所示，本实施方式的膜-电极组件的制造方法中的直到形成贴上了增强部件6的高分子电解质膜2的卷筒54为止的工序，与第9实施方式的膜-电极组件的制造方法相同。
然后，在本实施方式中，如图18(b)所示，从卷筒54上一边抽出该整块的高分子电解质膜2，一边在高强度部4处进行切割，从而形成了规定长度L2的膜片。由此制作成了膜片状的高分子电解质膜2。在该膜片状的高分子电解质膜2上实施与第3实施方式相同的加工，从而制作成了图7所示的膜-电极组件1。
根据如此的本实施方式的膜-电极组件制造方法，可以在切断成用于膜-电极组件1的膜片(高分子电解质膜片)之前，以整料的状态连续在高分子电解质膜2上形成高强度部4，并且配设增强部件6，所以能够高效率地制造实施了有关平行流所需要的3个边的增强的膜-电极组件1。
(第11实施方式)
本发明的第11实施方式表示第3实施方式所涉及的膜-电极组件1的制造方法。
图19(a)和图19(b)是表示本实施方式的膜-电极组件的制造工序的示意图。在图19(a)和图19(b)中，与图3(a)和图3(b)相同的符号表示相同或相当的部分。
本实施方式的膜-电极组件的制造方法，除了以下方面以外，与第1实施方式的膜-电极组件的制造方法相同。
在本实施方式中，首先，如下所述制作高分子电解质膜。该工序与第8实施方式相同。因此，参照图15(a)说明该工序。在图15(a)中，芯材51被加工(切长条)成相当于图13的高分子电解质膜片的宽度(上边2a和下边2c的长度)的规定宽度L2的整料。然后，在该整块的芯材51上由冲孔以规定的间距形成在宽度方向的全长上延伸的带状的通孔非形成区域51a。该规定的间距是相当于图13的高分子电解质膜片的长度(右边2b和左边2d的长度)L1的间距。该由冲孔加工而成的芯材51经过与第1实施方式相同的工序被加工成高分子电解质膜2并被卷绕成卷筒52。在该高分子电解质膜2上，芯材51的通孔非形成区域51a变成了高强度部4。
接着，如图19(a)所示，在该整块的高分子电解质膜2的两个面上沿着两侧的边缘贴上一对带状的增强部件6。该增强部件6的贴附，如众所周知的，比如可以通过从卷筒上将整块的高分子电解质膜2抽出，向该抽出的高分子电解质膜2的两个面上供给一对带状的增强部件6，使它们通过一对挤压辊之间来进行。贴上了该增强部件6后的整块的高分子电解质膜2被卷绕成卷筒54。
其后，如图19(b)所示，一边从卷筒54上抽出整块的高分子电解质膜2，一边在紧挨着高强度部4的后面的部分处进行切割，从而成为了规定长度L1的膜片。由此制作成了膜片状的高分子电解质膜2。在该膜片状的高分子电解质膜2上实施与第1实施方式相同的加工，从而制作成了图13所示的膜-电极组件1。
根据如此的本实施方式的膜-电极组件制造方法，可以在切断成用于膜-电极组件1中的膜片(高分子电解质膜片)之前，以整块的状态连续在高分子电解质膜2上形成高强度部4，并且能够配设增强部件6，所以能够高效率地制造实施了有关平行流所需要的3个边的增强的膜-电极组件1。
此外，在上述各个实施方式中，以跨越高分子电解质膜2的膜片的整个宽度或全长的方式设置的高强度部4或增强部件6，也可以以跨越高分子电解质膜2的膜片的宽度方向的一部分或长度方向的一部分的方式设置。
根据上述说明，对于本领域技术人员而言，本发明的很多改进和其他的实施方式是很明显的。因此，上述说明应仅作为示例解释，为了教导本领域技术人员而提供实施本发明的最好的方式。可以不脱离本发明的精神而对其构造以及/或者功能的详细内容作实质性的变更。
产业上的可利用性
本发明的膜-电极组件作为可高效率地制造的膜-电极组件是有用的。
本发明的燃料电池作为可高效率地制造膜-电极组件的燃料电池是有用的。
本发明的膜-电极组件的制造方法作为制造效率高的膜-电极组件的制造方法是有用的。

Claims (11)

1.一种膜-电极组件，其特征在于：
具有：四边形的高分子电解质膜；一对催化剂层，设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层，
所述膜-电极组件被一对隔板夹住而组装入燃料电池中，所述一对隔板在其内面的气体扩散层接触区域上凹陷地设置有反应气体的流道，所述气体扩散层接触区域是所述隔板与所述气体扩散层相接触的区域，其中，
在两个所述隔板中，所述气体扩散层接触区域中的反应气体的流道自上游向下游形成为蜿蜒状，该蜿蜒状为：在沿着所述高分子电解质膜的1边(以下称第1边)的方向上折回并沿着邻接于所述第1边的边(以下称第2边)而在从所述第1边向着与该第1边相对的边(以下称第3边)的方向上延伸，
在所述高分子电解质膜的周缘部的对应于所述第2边和与该第2边相对的边(以下称第4边)的部分上形成了增强所述高分子电解质膜的增强部，并且至少在所述高分子电解质膜的周缘部的对应于所述第3边的部分上不形成所述增强部。
2.如权利要求1所述的膜-电极组件，其特征在于：
仅在所述高分子电解质膜的周缘部的对应于所述第2边和第4边的部分上形成所述增强部。
3.如权利要求1所述的膜-电极组件，其特征在于：
进一步在所述高分子电解质膜的周缘部的对应于所述第1边的部分上形成所述增强部。
4.如权利要求1所述的膜-电极组件，其特征在于：
所述高分子电解质膜具有：形成有多个贯通孔的膜状的芯材；以及在该芯材的两个面上以填埋所述贯通孔的方式形成的高分子电解质层，
所述增强部由高强度部构成，该高强度部通过在所述芯材的没有形成所述贯通孔的区域上形成所述高分子电解质层而形成。
5.如权利要求1所述的膜-电极组件，其特征在于：
所述增强部由配设在所述高分子电解质膜的两个面上的增强部件构成。
6.如权利要求4所述的膜-电极组件，其特征在于：
在所述高分子电解质膜的周缘部的对应于所述第2边和第4边的部分上形成的增强部由所述高强度部构成，
在所述高分子电解质膜的周缘部的对应于所述第1边的部分上，以在所述高分子电解质膜的两个面上配设增强部件的方式形成所述增强部。
7.一种燃料电池，其特征在于：
具备层叠的多个单电池，所述单电池具有膜-电极组件和一对隔板，所述膜-电极组件具有：四边形的高分子电解质膜；一对催化剂层，设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层，
所述一对隔板在其内面的气体扩散层接触区域上凹陷地设置有反应气体的流道，并且以该气体扩散层接触区域与所述气体扩散层相接触的方式夹住所述膜-电极组件，
在各个所述隔板中，所述气体扩散层接触区域中的反应气体的流道自上游向下游形成为蜿蜒状，该蜿蜒状为：在沿着所述高分子电解质膜的1边(以下称第1边)的方向上折回并沿着邻接于所述第1边的边(以下称第2边)而在从所述第1边向着与该第1边相对的边(以下称第3边)的方向上延伸，
在所述高分子电解质膜的周缘部的对应于所述第2边和与该第2边相对的边(以下称第4边)的部分上形成增强所述高分子电解质膜的增强部，并且至少在所述高分子电解质膜的周缘部的对应于所述第3边的部分上不形成所述增强部。
8.一种膜-电极组件的制造方法，其特征在于：
所述膜-电极组件具有：四边形的高分子电解质膜；一对催化剂层，设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层，所述膜-电极组件的制造方法包括：
准备具有规定的宽度的长条的膜状的芯材的工序；
在所述芯材上形成通孔形成区域和通孔非形成区域的工序，所述通孔形成区域形成有在厚度方向贯通该芯材的贯通孔，所述通孔非形成区域为实质上没有形成所述贯通孔的区域，所述通孔非形成区域沿着所述芯材的两个边缘呈一对带状延伸，并且所述通孔形成区域存在于剩余部分；
在形成有所述通孔非形成区域和通孔形成区域的芯材的两面上以填埋所述贯通孔的方式形成高分子电解质层，并制作具有一对高强度部的长条的高分子电解质膜的工序，所述一对高强度部通过在所述一对通孔非形成区域上形成高分子电解质层而形成；
按规定的长度切断所述长条的高分子电解质膜从而制作膜片状的高分子电解质膜的工序；
在所述膜片状的高分子电解质膜的两面上，以使至少一部分位于所述一对高强度部之间的方式形成所述一对催化剂层和气体扩散层的工序。
9.一种膜-电极组件的制造方法，其特征在于：
所述膜-电极组件具有：四边形的高分子电解质膜；一对催化剂层，设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；以及在该一对催化剂层上分别设置的一对导电性的气体扩散层，所述膜-电极组件的制造方法包括：
准备具有规定的宽度的长条的膜状的芯材的工序A；
在所述芯材上形成通孔形成区域和通孔非形成区域的工序B，所述通孔形成区域形成有在厚度方向贯通所述芯材的贯通孔，所述通孔非形成区域为实质上没有形成所述贯通孔的区域，所述通孔非形成区域在所述芯材的宽度方向上呈带状延伸，并在所述芯材的长度方向上以规定的间距存在多个，并且所述通孔形成区域存在于剩余部分；
在形成有所述通孔非形成区域和通孔形成区域的芯材的两面上以填埋所述贯通孔的方式形成高分子电解质层，并制作具有多个高强度部的长条的高分子电解质膜的工序C，所述多个高强度部通过在所述多个通孔非形成区域上形成高分子电解质层而形成；
将所述长条的高分子电解质膜在所述多个高强度部处切断而制作膜片状的高分子电解质膜的工序D，所述膜片状的高分子电解质膜具有相当于所述规定的间距的长度并且在通过所述切断而形成的一对边上具有一对所述高强度部；
在所述膜片状的高分子电解质膜的两面上，以至少一部分位于所述一对高强度部之间的方式形成所述一对催化剂层和气体扩散层的工序E。
10.如权利要求9所述的膜-电极组件的制造方法，其特征在于：
在所述工序C和所述工序D之间，具有沿着所述高分子电解质膜的至少单侧的边缘配设带状的增强部件的工序F；
在所述工序D中，将所述长条的高分子电解质膜在所述多个高强度部处切断，由此制作膜片状的高分子电解质膜，该膜片状的高分子电解质膜具有相当于所述规定的间距的长度，并且在由所述切断而形成的一对边上有一对所述高强度部，同时具有沿着所述一对边之间的边配置且两端被切断的所述增强部件；
在所述工序E中，在所述膜片状的高分子电解质膜的两面上，以至少一部分位于所述一对高强度部和增强部件之间的方式形成所述一对催化剂层和气体扩散层。
11.一种膜-电极组件，其特征在于：
具有：四边形的高分子电解质膜；一对催化剂层，设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；以及在该一对催化剂层上分别设置的一对气体扩散层，
所述膜-电极组件被一对隔板夹住而组装入燃料电池中，所述一对隔板在其内面的气体扩散层接触区域上凹陷地设置有反应气体的流道，该气体扩散层接触区域是所述隔板与所述气体扩散层相接触的区域，其中，
在所述高分子电解质膜的周缘部的对应于沿着所述反应气体的流道的下游部的边的部分没有形成所述增强部。
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