WO2007032442A1

WO2007032442A1 - 膜－膜補強部材接合体、膜－触媒層接合体、膜－電極接合体、及び高分子電解質形燃料電池

Info

Publication number: WO2007032442A1
Application number: PCT/JP2006/318281
Authority: WO
Inventors: Takeou Okanishi; Yoshihiro Hori; Kazuhito Hatoh
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2007-03-22
Also published as: CN101714641B; CN101268575A; US20090181277A1; US8663872B2; CN101268575B; CN101714641A

Abstract

　本発明の膜－膜補強部材接合体(1)は、互いに対向しておりかつ略矩形状を呈する１対の第１主面(F1)及び第２主面(F2)を有する高分子電解質膜(10)と、第１主面( F1)の４辺のうちの互いに対向する１組の辺に沿う部分に配置されており、第１主面(F1)よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する１対の第１膜補強部材２２及び２４と、第２主面(F2)の４辺のうちの互いに対向する１組の辺に沿う部分に配置されており、第２主面(F2)よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する１対の第２膜補強部材(26)及び(28)とを有しており、１対の第１膜補強部材(22)及び(24)と１対の第２膜補強部材(26)及び(28)とは、全体として高分子電解質膜(10)の４辺に沿って延在しかつ高分子電解質膜(10)の４隅の部分を挟むように配置されている。

Description

明細書

膜一膜補強部材接合体、膜一触媒層接合体、膜一電極接合体、及び高分子電解質形燃料電池

技術分野

[0001] 本発明は、膜膜補強部材接合体、膜触媒層接合体、膜電極接合体、及び高分子形燃料電池、並びにこれらの製造法に関する。

背景技術

[0002] 高分子電解質形燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸ィ匕ガスを白金などの触媒層を有するガス拡散層電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。その構造は、まず水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を触媒体とし、これに水素イオン伝導性高分子電解質を混合したもので触媒層を形成する。次に、この触媒層の外面に、燃料ガスの通気性を、電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーでガス拡散層を形成する。この触媒層とガス拡散層とを合わせてガス拡散電極と呼ぶ。

[0003] 次に、燃料を供給する燃料ガスが外部に漏れたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール剤やガスケットを配置する。このシール剤やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化し、これを MEA (膜—電極接合体）と呼ぶ。 MEAの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接した MEAを互ヽに電気的に直列に接続するための導電性セパレーターを配置する。セパレーターの MEAと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレーターと別に設けることもできる力セパレーターの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。

[0004] 多くの燃料電池は、上記のような構造の単電池を数多く重ねた積層構造をとつている。燃料電池の運転時には、電力発生と共に発熱が起こる。積層電池では単電池 1 〜3セル毎に冷却水路等を設けることにより、電池温度を一定に保つと同時に発生した熱エネルギーを温水などの形で利用することができる。

[0005] スタックを製造する際、高分子電解質膜は電極ゃセパレーターに挟持され、端板とボルトにより締め付けられる。締め付けの圧力に耐えられるように、また、長期間の使用において磨耗等による物理的な破損が生じないように、高分子電解質膜には十分な強度を持たせる必要がある。一方、プロトン伝導性を向上させる等の理由からは、高分子電解質膜をできるだけ薄くする必要がある。これらの理由から、厚さを増すことなく高分子電解質の強度を上げるための様々な検討がなされている。

[0006] 例えば、特許文献 1において、高分子電解質膜の周縁部に額縁状の保護膜を取り付けることで、高分子電解質膜の破損の防止を意図した高分子電解質形燃料電池が提案されている (例えば、特許文献 1の図 1参照)。以下、この高分子電解質形燃料電池の構造について、図面を用いて説明する。図 13は、特許文献 1に記載の高分子電解質形燃料電池のうちの、固体高分子電解質膜と、ふつ素榭脂シート (保護膜)との位置関係を説明するための要部分解斜視図である。図 13に示すように、特許文献 1の高分子電解質形燃料電池では、固体高分子電解質膜 1000の略矩形状を呈する主面の周縁部分のすべてを覆うようにして、ふつ素榭脂シート (保護膜) 220 及びふつ素榭脂シート (保護膜) 240が固体高分子電解質膜 1000の表の主面と裏の主面のそれぞれに配置されて、る。

特許文献 1：特開平 5 - 21077号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] しかしながら、上述の従来技術における高分子電解質形燃料電池は、特に高分子電解質膜と保護膜の接合体の部分にぉ、て、低コストで容易に大量生産ができる構成 (構造)を有していないため、高分子電解質形燃料電池の更なる低コスト化、及び更なる生産性の向上を意図 (効率的な大量生産を意図）した場合に、未だ改善の余地があった。

[0008] 本発明は、以上の観点に鑑みてなされたものであり、十分な耐久性を確保でき、かつ高分子電解質形燃料電池の低コスト化、及び大量生産に適した構成を有する、膜膜補強部材接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、上記の本発明の膜—膜補強部材接合体を備えており、さらに触媒層が配置された、膜触媒層接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、上記の本発明の膜—触媒層接合体を備えており、さらにガス拡散層が配置された、膜-電極接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、上記の本発明の膜電極接合体を備えている、高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 上述の従来技術における高分子電解質形燃料電池が、特に高分子電解質膜と保護膜の接合体の部分にぉ、て、低コストで容易に大量生産ができる構成を有してヽないという理由を、以下、図面を用いてより具体的に説明する。

[0010] 図 14は特許文献 1に記載の高分子電解質形燃料電池を、公知の薄膜積層体の製造技術を用いて大量生産しょうと意図する場合に一般的に想定される製造法の一例を示す説明図である。例えば、特許文献 1に記載の高分子電解質形燃料電池を、大量生産する場合、まず、図 14に示すように、テープ状の固体高分子電解質膜 260を製造してこれを卷回してロール 262とし、テープ状の保護膜 250 (図 14に示した保護膜 220を連続的に形成したテープ状のもの）を製造してこれを卷回してロール 252とする。次に、図 14に示すような構成の製造機構を有する装置を用いて、テープ状の固体高分子電解質膜 260の主面の少なくとも一方にテープ状の保護膜 250を積層した積層体を製造する。例えば、ロール 252及びロール 262からそれぞれ、テープ状の保護膜 250とテープ状の固体高分子電解質膜 260とを引っ張り出して、一対の口ーラ 290の間に挟んで一体ィ匕して積層体として卷回し、ロール 280とする。なお、口ーラ 290の間に挟んで一体化する際に、熱処理、加圧処理、加圧熱処理を施す場合もあり、一体化する直前に、テープ状の保護膜 250とテープ状の固体高分子電解質膜 260の少なくとも一方の主面 (接着面）に接着剤を塗工する場合もある。

[0011] このロール 280を製造するときに、保護膜 250には、当該保護膜 250が進行する方向（テープ状の保護膜 250の長手方向） D10に張力がかかる。このとき、保護膜 250 は非常に薄い膜 (例えば、以下)でありかつ主面の内部に開口部 222が形成されているため、張力がかかると、保護膜 250において張力の力かる方向と略垂直となる部分 R200が浮き上がるようになる。これ〖こより、ローラ 290とロール 252との間では、ローラ 290により保護膜 250を押えるときに上記 R200の部分にしわがよる可能性が高くなる。また、ローラ 290とロール 280との間では張力により固体高分子電解質膜 260から保護膜 250の R200の部分が剥がれる可能性が高くなる。

[0012] 以上の理由により、図 13に示した従来の構成を有する高分子電解質形燃料電池では、不良品を出さずに確実に製造する観点から、 MEAを 1つ 1つ製造する手間の力かる複雑な製造方法を採用することしかできな力つた。すなわち、バッチ式の方法で、固体電解質膜 1000に保護膜 220及び 240を 1つひとつ位置決めして貼り付けるという手間の力かる複雑で高コストな製造方法を採用することしかできな力つた。

[0013] このような課題を解決するために、本発明は、互いに対向しておりかつ略矩形状を呈する 1対の第 1主面及び第 2主面を有する高分子電解質膜と、

第 1主面の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に配置されており、第 1 主面よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する 1対の第 1膜補強部材と、第 2主面の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に配置されており、第 2 主面よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する 1対の第 2膜補強部材と、を有しており、

1対の第 1膜補強部材と 1対の第 2膜補強部材とは、全体として前記高分子電解質膜の 4辺に沿って延在しかつ前記高分子電解質膜の 4隅の部分を挟むように配置されている、膜膜補強部材接合体を提供する。

[0014] 本発明の膜膜補強部材接合体は、上述のように、主面 (第 1主面又は第 2主面）の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺のみに 1対の補強部材 (第 1膜補強部材又は第 2膜補強部材)が配置された構成を有している。そのため、図 14を用いて先に説明した燃料電池の保護膜 250における R200の部分が存在しない。従って、本発明の膜—膜補強部材接合体は、テープ状の高分子電解質膜にテープ状の補強部材 (第 1膜補強部材又は第 2膜補強部材)を積層して、高分子電解質膜及び補強部材の積層体力もなるロールを製造すると、つた、公知の薄膜積層体の大量生産技術を容易に適用することが可能となる。従って、本発明の膜—膜補強部材接合体は、先に述ベたバッチ式の方法で、固体電解質膜に保護膜を 1つひとつ位置決めして貼り付けるという手間の力かる複雑で高コストな製造方法を採用する必要がなぐ低コストで容易に大量生産することが可能となる。また、本発明の膜-膜補強部材接合体は、上述のように、 1対の第 1膜補強部材と 1対の第 2膜補強部材とは、全体として前記高分子電解質膜の 4辺に沿って延在しかつ前記高分子電解質膜の 4隅の部分を挟むように配置された構成を有している。これにより、本発明の膜—膜補強部材接合体は高分子電解質膜の破損を十分に防止できる十分な機械的強度を有する。すなわち、本発明の膜膜補強部材接合体は、 1対の第 1膜補強部材と、 1対の第 2膜補強部材とにより十分な耐久性が確保される。

[0015] したがって、本発明の膜—膜補強部材接合体は、上述したように 1対の第 1膜補強部材と、 1対の第 2膜補強部材とを高分子電解質膜を介して配置させた大量生産に適した構造を有するため、本発明の膜膜補強部材接合体を用いて高分子電解質形燃料電池を構成すれば、十分な耐久性を確保しつつ、高分子電解質形燃料電池の更なる低コスト化、及び更なる生産性の向上を容易に図ることができる。

[0016] 更に、本発明の膜膜補強部材接合体は、第 1主面 (又は第 2主面)の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺のみに第 1膜補強部材 (又は第 2膜補強部材)を配置する構成を有するため、図 14に示した保護膜 220及び 240を主面の周縁部分のすべてに配置する構成を有する特許文献 1に記載の高分子電解質形燃料電池よりも材料コストを低減できる。

[0017] また、本発明は、先に述べた本発明の膜—膜補強部材接合体と、

膜膜補強部材接合体の高分子電解質の第 1主面のうちの第 1膜補強部材が配置されてない領域の少なくとも一部に配置される第 1触媒層と、

膜膜補強部材接合体の高分子電解質の第 2主面のうちの第 2膜補強部材が配置されてヽなヽ領域の少なくとも一部に配置されてヽる第 2触媒層と、

を有する、膜—触媒層接合体を提供する。

[0018] 以上のように、本発明の膜—触媒層接合体は、本発明の膜—膜補強部材接合体を備える構成を有しているので、本発明の膜一触媒層接合体を用いて高分子電解質形燃料電池を構成すれば、高分子電解質形燃料電池の更なる低コスト化、及び更なる生産性の向上を容易に図ることができる。 [0019] 更に、本発明は、先に述べた本発明の膜触媒層接合体と、

膜触媒層接合体の第 1触媒層を被覆するように配置される第 1ガス拡散層と、膜触媒層接合体の第 2触媒層を被覆するように配置される第 2ガス拡散層と、を有する、膜—電極接合体を提供する。

[0020] 以上のように、本発明の膜—電極接合体は、本発明の膜—膜補強部材接合体、および、膜—触媒層接合体を備える構成を有しているので、本発明の膜—電極接合体を用いて高分子電解質形燃料電池を構成すれば、高分子電解質形燃料電池の更なる低コスト化、及び更なる生産性の向上を容易に図ることができる。

[0021] また、本発明は、先に述べた本発明の膜—電極接合体を具備している、高分子電解質形燃料電池を提供する。

[0022] 以上のように、本発明の高分子電解質形燃料電池は、本発明の膜膜補強部材接合体、膜—触媒層接合体、および、本発明の膜—電極接合体を備える構成を有しているので、本発明の高分子電解質形燃料電池によれば、更なる低コスト化、及び、更なる生産性の向上を容易に図ることができる。

また、本発明は、互いに対向しておりかつ略矩形状を呈する 1対の第 1主面及び第

2主面を有する高分子電解質膜の前記第 1主面の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に、前記第 1主面よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する 1 対の第 1膜補強部材を配置する工程 Aと、

前記第 2主面の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に、前記第 2主面よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する 1対の第 2膜補強部材を配置するェ程 Bと、を含み、

前記工程 A及び工程 Bにおいて、前記 1対の第 1膜補強部材と前記 1対の第 2膜補強部材とは、全体として前記高分子膜の 4辺に沿って延在しかつ前記高分子膜の 4 隅の部分を挟むように配置される、膜—膜補強部材接合体の製造方法を提供する。

[0023] また、本発明は、先に述べた膜-膜補強部材接合体方法によって膜-膜補強部材接合体を製造する工程と、

前記膜膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の前記第 1主面のうちの前記第 1膜補強部材が配置されてない領域の少なくとも一部に第 1触媒層を配置するェ程 cと、

前記膜膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の前記第 2主面のうちの前記第 2膜補強部材が配置されていない領域の少なくとも一部に第 2触媒層を配置する工程 Dと、を含む、膜触媒層接合体の製造方法を提供する。

また、本発明は、先に述べた膜触媒層接合体の製造方法によって膜触媒層接合体を製造する工程と、

前記膜触媒層接合体の前記第 1触媒層を被覆するように第 1ガス拡散層を配置する工程 Eと、

前記膜触媒層接合体の前記第 2触媒層を被覆するように第 2ガス拡散層を配置する工程 Fと、を有する、膜電極接合体の製造方法を提供する。

[0024] また、本発明は、先に述べた膜—電極接合体の製造方法によって膜—電極接合体製造する工程を含む、高分子電解質形燃料電池の製造方法を提供する。

[0025] 以上の、膜補強部材接合体の製造方法、膜触媒層接合体の製造方法、膜電極接合体の製造方法、及び高分子電解質形燃料電池の製造方法によれば、それぞれ、上述の膜補強部材接合体、膜触媒層接合体、膜電極接合体、及び高分子電解質形燃料電池について得られる効果を得ることができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

発明の効果

[0026] 本発明によれば、十分な耐久性を確保でき、かつ高分子電解質形燃料電池の低コスト化、及び大量生産に適した構成を有する、膜膜補強部材接合体及びその製造方法を提供することができる。

[0027] また、本発明によれば、上記の本発明の膜一膜補強部材接合体を備えており、さらに触媒層が配置された、高分子電解質形燃料電池の低コスト化、及び大量生産に適した膜—触媒層接合体及びその製造方法を提供することができる。

[0028] さらに、本発明によれば、上記の本発明の膜触媒層接合体を備えており、さらにガス拡散層が配置された、高分子電解質形燃料電池の低コスト化、及び大量生産に適した膜—電極接合体及びその製造方法を提供することができる。 [0029] また、本発明によれば、上記の本発明の膜—電極接合体を備えている、低コスト化、及び大量生産に適した高分子電解質形燃料電池及びその製造方法を提供することがでさる。

図面の簡単な説明

[0030] [図 1]図 1は本発明の膜膜補強部材接合体の第 1実施形態の基本構成の一例を示す斜視図である。

[図 2]図 2は、図 1に示す膜—膜補強部材接合体 1にさらに触媒層が配置された膜— 触媒層接合体 (本発明の膜触媒層接合体の第 1実施形態)の基本構成の一例を示す斜視図である。

[図 3]図 3は、図 2に示す膜触媒層接合体 2にさらにガス拡散層が配置された膜電極接合体 (本発明の膜電極接合体の第 1実施形態)の基本構成の一例を示す斜視図である。

[図 4]図 4は、図 3に示す膜電極接合体 3を具備する燃料電池 (本発明の高分子電解質形燃料電池の第 1実施形態)の基本構成の一例 (単電池の部分)を示す断面図である。

[図 5]図 5は、図 1に示した膜—膜補強部材接合体 1、図 2に示した膜—触媒層接合体 2及び図 3に示した膜電極接合体 3を製造するための一連の工程の一部を概略的に示す説明図である。

[図 6]図 6は、図 5における第 1工程 P1の作業を説明するための説明図である。

[図 7]図 7は、図 5における第 2工程 P2の作業を説明するための説明図である。

[図 8]図 8は、図 5における第 3工程 P3の作業を説明するための説明図である。

[図 9]図 9は膜膜補強部材接合体 1の構成部材となる膜膜補強部材積層体の製造方法を説明するための説明図である。

[図 10]図 10は膜-膜補強部材積層体を接合する作業を説明するための説明図である。

[図 11]図 11は本発明の膜—膜補強部材接合体の第 2実施形態の基本構成の一例を示す斜視図である。

[図 12]図 12は、図 11に示した膜—膜補強部材接合体 1Aに備えられる内部補強膜 8 0の基本構成の一例を示す要部拡大正面図である。

[図 13]図 13は、特許文献 1に記載の高分子電解質形燃料電池のうちの、固体高分子電解質膜と、ふつ素榭脂シート (保護膜)との位置関係を説明するための要部分解斜視図である。

[図 14]図 14は、特許文献 1に記載の高分子電解質形燃料電池を、公知の薄膜積層体の製造技術を用いて大量生産しょうと意図する場合に一般的に想定される製造法の一例を示す説明図である。

符号の説明

[0031] 1、 1A- · '膜—膜補強部材接合体、 2、膜—触媒層接合体、 3·· '膜—電極接合体、 4· · ·燃料電池、 10· ··高分子電解質膜、 10A- ··高分子電解質内部補強膜複合体、 11···第 1高分子電解質膜、 12···第 2高分子電解質膜、 22、 24···第 1膜補強部材、 26、 28·· '第 2膜補強部材、 31· · '第 1触媒層、 32· · '第 2触媒層、 41·· '第 1ガス拡散層、 42· · '第 2ガス拡散層、 50、 52· · 'セパレーター、 60、 62· · 'ガスケット、 70、 72、 74、 76···隙間、 78···ガス流路、 80···内部補強膜、 82···開口部、 120A、 120B、 122、 134A、 134B…ロール、 124、 126…熱圧着機、 128、 1 30···ローラ、 130B、 130C- · ·触媒層塗工機、 132· · ·裁断機、 135A、 135B- · · 基材—膜補強部材積層体、 136A、 136B…膜補強部材、 137A、 137B…基材、 138·· ·膜補強部材切断面、 140· ··高分子電解質膜、 141·· ·膜—膜補強部材積層体、 142Α、 142Β···膜補強部材、 143、 144、 145···積層体、 186···マスク、 1 86Α···開口部、 190···触媒層、 Dl、 D2、 D3'，'進行方向、 Fl···第l主面、 F2-- '第 2主面、 F3-- '第 1触媒層の主面、 F4- · '第 2触媒層の主面、 F5-- '第 1ガス拡散層の主面、 F6-- ·第 2ガス拡散層の主面、 F1A、 F22, F24, F26, F28…主面、 P1 • · '第 1工程、 P2- · '第 2工程、 Ρ3· · '第 3工程、 Ρ4- · '第 4工程、 Ρ5· · '第 5工程。発明を実施するための最良の形態

[0032] 以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。

[第 1実施形態] 図 1は、本発明の膜—膜補強部材接合体の第 1実施形態の基本構成の一例を示す斜視図である。図 2は、図 1に示す膜—膜補強部材接合体 1にさらに触媒層が配置された膜触媒層接合体 (本発明の膜触媒層接合体の第 1実施形態)の基本構成の一例を示す斜視図である。また、図 3は、図 2に示す膜—触媒層接合体 2にさらにガス拡散層が配置された膜電極接合体 (本発明の膜電極接合体の第 1実施形態)の基本構成の一例を示す斜視図である。さら〖こ、図 4は、図 3に示す膜ー電極接合体 3を具備する高分子電解質形燃料電池 (本発明の高分子電解質形燃料電池の第 1実施形態)の基本構成の一例（単電池の部分)を示す断面図である。

[0033] まず図 1に示す第 1実施形態の膜—膜補強部材接合体 1について説明する。

[0034] 図 1に示すように、膜膜補強部材接合体 1は、第 1膜補強部材 22及び 24と、第 2 膜補強部材 26及び 28とが、全体として高分子電解質膜 10の 4辺に沿って延在しかつ高分子電解質膜 10の 4隅の部分を挟むように（以下、「井桁組状に」という）配置された構成を有している。

[0035] 即ち、図 1に示すように、膜—膜補強部材接合体 1は、互いに対向しておりかつ略矩形状を呈する 1対の第 1主面 F1及び第 2主面 F2を有する高分子電解質膜 10と、第 1主面 F1の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に配置されており、第 1主面 F1よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する 1対の第 1膜補強部材 22 及び 24と、第 2主面 F2の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に配置されており、第 2主面 F2よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する 1対の第 2膜補強部材 26及び 28とを、主として具備する構成を有して、る。

[0036] そして、第 1実施形態の膜—膜補強部材接合体 1は、第 1主面 F1の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺のみに 1対の補強部材 (第 1膜補強部材 22及び 24)が配置された構成を有している。更に、膜-膜補強部材接合体 1は、第 2主面 F2の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺（第 2主面 F2の 4辺のうち、第 1膜補強部材 22及び 24が配置されている第 1主面 F1の 1組の辺と略直交する一組の辺）のみに 1対の補強部材 (第 2膜補強部材 26及び 28)が配置された構成を有して!/、る。

[0037] そのため、図 14を用いて先に説明した燃料電池の保護膜 250における R200の部分が存在しない。従って、膜—膜補強部材接合体 1は、図 5〜図 10を用いて後述するように、テープ状の高分子電解質膜 140にテープ状の補強部材 (第 1膜補強部材 1 42A及び 142B等)を積層して、高分子電解質膜及び補強部材の積層体 143を製造するといつた、公知の薄膜積層体の大量生産技術を容易に適用することが可能となる。

[0038] 従って、膜—膜補強部材接合体 1は、バッチ式の方法で、固体電解質膜 10に補強部材 (第 1膜補強部材 22及び 24、又は、第 2膜補強部材 26及び 28)を 1つひとつ位置決めして貼り付けるという手間の力かる複雑で高コストな製造方法を採用する必要がなぐ低コストで容易に大量生産することが可能となる。

[0039] また、膜-膜補強部材接合体 1は、上述のように、第 1膜補強部材 22及び 24と、第 2膜補強部材 26及び 28とが、全体として高分子電解質膜 10の 4辺に沿って延在しかつ高分子電解質膜 10の 4隅の部分を挟むように (井桁組状に)配置された構成を有している。これにより、膜—膜補強部材接合体 1は高分子電解質膜 10の破損を十分に防止できる十分な機械的強度を有する。

[0040] 以上により、膜膜補強部材接合体 1は、第 1膜補強部材 22及び 24と、第 2膜補強部材 26及び 28とを高分子電解質膜 10を介して配置させた大量生産に適した構造を有するため、この膜膜補強部材接合体 1を用いて高分子電解質形燃料電池を構成すれば、十分な耐久性を確保しつつ、高分子電解質形燃料電池の更なる低コスト化、及び更なる生産性の向上を容易に図ることができる。

[0041] なお、図 1に示した膜—膜補強部材接合体 1においては、第 1膜補強部材 22及び 24の外縁と高分子電解質膜 10の外縁とがー致しており、かつ、第 2膜補強部材 26 及び 28と高分子電解質膜 10の外縁とがー致している態様について説明したが、第 1 膜補強部材 22及び 24と、第 2膜補強部材 26及び 28とは、全体として高分子電解質膜 10の 4辺に沿って延在していればよぐ第 1膜補強部材 22及び 24、並びに、第 2 膜補強部材 26及び 28の高分子電解質膜 10上の配置位置は、この態様に限定されるものではない。

[0042] 例えば、高分子電解質膜 10の外縁が第 1膜補強部材 22の外縁よりも外に突出するように第 1膜補強部材 22が高分子電解質膜 10上に配置されていてもよい。また、例えば、第 1膜補強部材 22の外縁が高分子電解質膜 10の外縁よりも外に突出するように第 1膜補強部材 22が高分子電解質膜 10上に配置されていてもよい。更に、高分子電解質膜 10上での第 1膜補強部材 24の配置位置、高分子電解質膜 10上での第 2膜補強部材 26の配置位置、及び、高分子電解質膜 10上での第 2膜補強部材 2 8の配置位置も、上記の高分子電解質膜 10上での第 1膜補強部材 22の配置位置と同様にしてもよい。

[0043] 次に、膜-膜補強部材接合体 1の各構成要素について説明する。

[0044] 本発明の膜—膜補強部材接合体は、第 1主面 (又は第 2主面)の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺のみに第 1膜補強部材 (又は第 2膜補強部材)を配置する構成を有するため、図 14に示した保護膜 220及び 240を主面の周縁部分のすべてに配置する構成を有する特許文献 1に記載の高分子電解質形燃料電池よりも材料コストを低減できる。

[0045] 高分子電解質膜 10は、プロトン伝導性を有してヽる。高分子電解質膜 10としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びスルホンィミド基を有するものが好ましくあげられる。プロトン伝導性の観点から、高分子電解質膜 10はスルホン酸基を有するものが特に好まし!/、。

[0046] スルホン酸基を有する高分子電解質膜を構成する榭脂としては、イオン交換容量が 0. 5〜1. 5meqZg乾燥榭脂であることが好ましい。高分子電解質膜のイオン交換容量が 0. 5meqZg乾燥榭脂以上であると、発電時における高分子電解質膜の抵抗値の上昇をより十分に低減できるので好ましぐイオン交換容量が 1. 5meq/g 乾燥榭脂以下であると、高分子電解質膜の含水率が増大せず、膨潤しにくくなり、触媒層中の細孔が閉塞するおそれがないため好ましい。以上と同様の観点から、ィォン交換容量は 0. 8〜1. 2meqZg乾燥樹脂が特に好ましい。

[0047] 高分子電解質としては、 CF =CF-(OCF CFX)m—Op— (CF )n—SO Hで表さ

2 2 2 3 れるパーフルォロビュル化合物（mは 0〜3の整数を示し、 nは 1〜12の整数を示し、 pは 0または 1を示し、 Xはフッ素原子またはトリフルォロメチル基を示す。 )に基づく重合単位と、テトラフルォロエチレンに基づく重合単位とを含む共重合体であることが好ましい。

[0048] 上記フルォロビニル化合物の好ま、例としては、下記式 (4)〜（6)で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、 qは 1〜8の整数、 rは 1〜8の整数、 tは 1〜 3の整数を示す。

[0049] CF =CFO (CF ) q-SO H · · · (4)

2 2 3

CF =CFOCF CF (CF ) 0 (CF )r— SO H

2 2 3 2 3 …（5)

CF =CF (OCF CF (CF ) )tO (CF ) -SO H

2 2 3 2 2 3 …（6)

第 1膜補強部材 22及び第 1膜補強部材 24は、高分子電解質膜 10の第 1主面 F1 の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に配置されている。また、第 1膜補強部材 22及び第 1膜補強部材 24は、第 1主面 F1よりも小さい略長方形の主面 F22 及び F24を有している。これらの第 1膜補強部材 22及び第 1膜補強部材 24が高分子電解質膜 10に配置されることにより、高分子電解質形燃料電池 4 (後述の図 4参照 )を構成した際に、締結圧力が力かることなどによる高分子電解質膜 10の破損が十分に防止される。

[0050] 第 2膜補強部材 26及び第 2膜補強部材 28は、高分子電解質膜 10の第 2主面 F2 の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に配置されている。また、第 2膜補強部材 26及び第 1膜補強部材 28は、第 2主面 F2よりも小さい略長方形の主面 F26 及び F28を有して、る。これらの第 2膜補強部材 26及び第 2膜補強部材 28が高分子電解質膜 10に配置されることにより、高分子電解質形燃料電池 4を構成した際に、締結圧力が力かることなどによる高分子電解質膜 10の破損が十分に防止される。

[0051] そして、図 1に膜-膜補強部材接合体 1においては、 1対の第 1膜補強部材 22及び 24と、 1対の第 2膜補強部材 26及び 28とが、高分子電解質膜 10を介して井桁組み状となるように互いに配置されている。第 1膜補強部材 22及び 24と、第 2膜補強部材 26及び 28との位置関係をより具体的に説明すると、膜—膜補強部材接合体 1を第 1主面の法線方向から見た場合、第 1膜補強部材 22及び 24と、第 2膜補強部材 2 6及び 28とは、第 1膜補強部材 22の主面 F22の長手方向 (長辺方向)及び第 1膜補強部材 24の主面 F24の長手方向（長辺方向）と、第 2膜補強部材 26の主面の F26 の長手方向（長辺方向）及び第 2膜補強部材 28の主面 F28の長手方向（長辺方向）とが、互いに略垂直となるように配置 (高分子電解質膜 10が互いの間に配置された状態で互いに略垂直となるように配置）されて、る。 [0052] また、第 1膜補強部材 22及び第 1膜補強部材 24、又は、第 2膜補強部材 26及び第 2膜補強部材 28を構成する材料としては、耐久性の観点から、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルォロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルォロエチレンープロピレン共重合体、テトラフルォロエチレンパーフルォロアルコキシエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフエ-レンスルフイド、ポリアリレート、ポリスルフイド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミド力なる群より選択される少なくとも 1 種の合成樹脂であることが好まし、。

[0053] さらに、第 1膜補強部材 22の厚さ、第 1膜補強部材 24の厚さ、第 2膜補強部材 26 の厚さ、及び第 2膜補強部材 28の厚さは、本発明の効果を得られる範囲であれば特に限定されないが、本発明の効果をより確実に得る観点力もは、第 1膜補強部材 22 の厚さと第 1膜補強部材 24の厚さとは等しいことが好ましい。同様の観点から、第 2膜補強部材 26の厚さと第 2膜補強部材 28の厚さとは等しいことが好ましい。

[0054] 次に、図 2に示す第 1実施形態の膜—触媒層接合体 2について説明する。

[0055] 膜-触媒層接合体 2は、第 1主面 F1の略中央に第 1触媒層 31が配置され、さらに第 2主面 F2の略中央に第 2触媒層 32 (図 4参照）が配置されていること以外は、図 1 に示した膜—膜補強部材接合体 1と同様の構成を有している。

[0056] 製造の容易さの観点から、第 1触媒層 31の厚さは、第 1膜補強部材 22の厚さ及び第 1膜補強部材 24の厚さ以下であることが好ましぐ等しいことがより好ましい。また、同様の観点から、第 2触媒層 32の厚さは、第 2膜補強部材 26及び第 2膜補強部材 2 8の厚さ以下であることが好ましぐ等し、ことがより好まし、。

[0057] 第 1触媒層 31の構成及び第 2触媒層 32の構成は、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池に搭載されているガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していてもよい。また、第 1触媒層 31の構成及び第 2触媒層 32の構成は、同一であってもよぐ異なっていてもよい。

[0058] 例えば、第 1触媒層 31の構成及び第 2触媒層 32の構成としては、電極触媒が担持された導電性炭素粒子と、陽イオン (水素イオン)伝導性を有する高分子電解質とを含む構成を有していてもよぐ更に、ポリテトラフルォロエチレンなどの撥水材料を更に含む構成を有していてもよい。尚、高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜 10の構成材料と同種のものを使用してもよく異なる種類のものを使用してもよい。高分子電解質としては、高分子電解質膜 10の構成材料として記載したものを使用することがでさる。

[0059] 上記の電極触媒は、金属粒子 (例えば貴金属からなる金属粒子)からなり、導電性炭素粒子 (粉末）に担持されて用いられる。当該金属粒子は、特に限定されず種々の金属を使用することができるが、電極反応活性の観点ら、白金、金、銀、ルテユウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、ァノレミ-ゥム、ケィ素、亜鉛およびスズからなる群より選択される少なくとも 1種であることが好ましい。なかでも、白金および白金との合金が好ましぐ白金とルテニウムの合金力アノードにおいては触媒の活性が安定することから特に好ま、。

[0060] また、電極触媒の粒子は平均粒径 l〜5nmであることがより好ましい。平均粒径 In m以上の電極触媒は工業的に調製が容易であるため好ましぐまた、 5nm以下であると、電極触媒質量あたりの活性をより十分に確保しやすくなるため、燃料電池のコストダウンにつながり好ましい。

[0061] 上記の導電性炭素粒子は比表面積が 50〜1500m²/gであることが好ましい。比表面積が 50m²Zg以上であると、電極触媒の担持率を上げることが容易であり、得られた第 1触媒層 31及び第 2触媒層 32の出力特性をより十分に確保できることから好ましぐ比表面積が 1500m²/g以下であると、十分な大きさの細孔をより容易に確保できるようになりかつ高分子電解質による被覆がより容易となり、第 1触媒層 31及び第 2触媒層 32の出力特性をより十分に確保できることから好ましい。上記と同様の観点から、比表面積は 200〜900m²Zgが特に好まし、。

[0062] また、導電性炭素粒子は、その平均粒径が 0. 1〜1. 0 μ mであることが好ましい。

0.： L m以上であると、第 1触媒層 31及び第 2触媒層 32中のガス拡散性をより十分に確保し易くなり、フラッデイングをより確実に防止できるようになるため好ましい。また、導電性炭素粒子の平均粒径が 1. 0 m以下であると、高分子電解質による電極触媒の被覆状態をより容易に良好な状態とし易くなり、高分子電解質による電極触媒の被覆面積をより十分に確保し易くなるため、十分な電極性能をより確保し易くなり好ましい。

[0063] 第 1触媒層 31及び第 2触媒層 32は、例えば、公知の燃料電池のガス拡散電極の触媒層の製造方法を用いて形成することができる。例えば、第 1触媒層 31及び第 2 触媒層 32の構成材料 (例えば、電極触媒が担持された導電性炭素粒子と、高分子電解質)と、分散媒と、を少なくとも含む液 (触媒層形成用インク)を調製し、これを用いて作製することができる。

[0064] 次に、図 3に示す第 1実施形態の膜—電極接合体 3について説明する。

[0065] 膜—電極接合体 3は、第 1触媒層 31を覆うようにして略矩形状の主面 F5を有する第 1ガス拡散層 41が配置され、さらに第 2触媒層 32を覆うようにして略矩形状の主面 F6を有する第 2ガス拡散層 42が配置されていること以外は、図 2に示した膜—触媒層接合体 2と同様の構成を有している。

[0066] 第 1ガス拡散層の主面 F5の面積は、第 1触媒層の主面 F3の面積以上であることが好ましぐ第 1触媒層の主面 F3の面積よりも大きいことがより好ましい。さらに、第 2ガス拡散層の主面 F6の面積は、第 2触媒層の主面 F4の面積以上であることが好ましく、第 2触媒層の主面 F4の面積よりも大き、ことがより好ま、。

[0067] さらに、第 1ガス拡散層の主面 F5の面積が第 1触媒層の主面 F3の面積よりも大きく、かつ、第 2ガス拡散層の主面 F6の面積が第 2触媒層の主面 F4の面積よりも大きい場合、略矩形の主面 F5の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺であって、第 1膜補強部材 22及び第 1膜補強部材 24に最も近い位置に配置される 1組の辺を含む第 1 ガス拡散層の端部は、第 1膜補強部材 22の主面 F22及び第 1膜補強部材 24の主面 F24上に載置された状態となっていることが好ましい。また、略矩形の主面 F6の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺であって、第 2膜補強部材 26及び第 2膜補強部材 28に最も近い位置に配置される 1組の辺を含む第 2ガス拡散層の端部は、第 2膜補強部材 26の主面 F26及び第 2膜補強部材 28の主面 F28上に載置された状態となつていることが好ましい。第 1ガス拡散層 41及び第 2ガス拡散層 42を上記の様に配置することにより、膜—電極接合体 3の締結時において、ガス拡散層 41の端部及びガス拡散層 42の端部が、高分子電解質膜 10に直接接触することがなぐ高い耐久性をより確実に得ることができる。

[0068] 第 1ガス拡散層 41の構成及び第 2ガス拡散層 42の構成は、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池に搭載されてヽるガス拡散電極のガス拡散層と同様の構成を有していてもよい。また、第 1ガス拡散層 41の構成及び第 2ガス拡散層 42の構成は、同一であってもよぐ異なっていてもよい。

[0069] 例えば、第 1ガス拡散層 41及び第 2ガス拡散層 42としては、ガス透過性を持たせるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、十分な排水性を得る観点から、フッ素榭脂を代表とする撥水性高分子などを第 1ガス拡散層及び第 2ガス拡散層 42の中に分散させてもよい。さらに、十分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料で第 1ガス拡散層 41及び第 2ガス拡散層 42を構成してもよい。

[0070] また、第 1ガス拡散層 41と第 1触媒層 31との間、及び、第 2ガス拡散層 42と第 2触媒層 32との間には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。これにより、膜—電極接合体における水管理 (膜—電極接合体の良好な特性維持に必要な水の保持、及び、不必要な水の迅速な排水）をより容易かつより確実に行うことができる。

[0071] 次に、図 4に示す第 1実施形態の燃料電池 4について説明する。

[0072] 高分子電解質形燃料電池 4は、主として、図 3に示した膜電極接合体 3と、ガスケット 60及びガスケット 62と、セパレーター 50及びセパレーター 52とから構成されて!ヽる。

[0073] ガスケット 60及びガスケット 62は、膜—電極接合体 3に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、膜—電極接合体 3の周囲に配置される。

[0074] 膜—電極接合体 3の外側には、膜—電極接合体 3を機械的に固定するための一対のセパレーター 50及びセパレーター 52が配置されている。セパレーター 50の、膜一電極接合体 3の第 1ガス拡散層 41 (第 1ガス拡散層 41の外側の主面 F5)に接触する内面には、酸化剤ガス又は燃料ガスを膜—電極接合体 3に供給し、かつ、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場から膜電極接合体 3の外部に運び去るためのガス流路 78が形成されている。また、セパレーター 52の、膜一電極接合体 3の第 2ガス拡散層 42 (第 2ガス拡散層 42の外側の主面 F6)に接触する内面には、膜電極接合体 3に供給し、かつ、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場カゝら膜—電極接合体 3の外部に運び去るためのガス流路 78が形成されている。

[0075] ガス流路 78はセパレーター 50及びセパレーター 52とは別に設けることもできる力図 4の燃料電池 4においては、セパレーター 50の内面（第 1ガス拡散層 41の外側の主面 F5に接する面）及びセパレーター 52の内面（第 2ガス拡散層 42の外側の主面 F 6に接する面）に設けられた溝力もなるガス流路 78を有する構成が採用されている。

[0076] また、セパレーター 50は、膜電極接合体 3と反対の側の外面に、切削加工などにより設けられた溝力なる冷却水流路（図示せず)が形成された構成を有していてもよい。更に、セパレーター 52も、膜電極接合体 3と反対の側の外面に、切削加工などにより設けられた溝からなる冷却水流路（図示せず)が形成された構成を有していてもよい。

[0077] このように、 1対のセパレーター 50及びセパレーター 52の間に膜電極接合体 3を固定し、例えば、セパレーター 50のガス流路 78に燃料ガスを供給し、セパレーター 5 2のガス流路 78に酸化剤ガスを供給することで、数十から数百 mAZcm²の実用電流密度通電時において一つの燃料電池 4で 0. 7〜0. 8V程度の起電力を発生させることができる。ただし、通常、高分子電解質形燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、燃料電池 4を必要とする個数だけ直列に連結し、いわゆるスタック（図示せず）として使用する。例えば、複数の燃料電池 4を積層した積層体を、対向配置された 2枚のエンドプレートの間に配置し、蹄結した状態をしたスタックとして使用する。

[0078] 次に、図 1に示した膜膜補強部材接合体 1、図 2に示した膜触媒層接合体 2及び図 3に示した膜電極接合体 3の製造方法の一例 (本発明の膜膜補強部材接合体の製造方法の好適な実施形態、本発明の膜触媒層接合体の製造方法の好適な実施形態、本発明の膜電極接合体の製造方法の好適な実施形態）について図面を用いて説明する。

[0079] 図 5は、図 1に示した膜膜補強部材接合体 1、図 2に示した膜触媒層接合体 2 及び図 3に示した膜電極接合体 3を製造するための一連の工程の一部を概略的に示す説明図である。

[0080] 図 1に示した膜膜補強部材接合体 1、図 2に示した膜触媒層接合体 2及び図 3 に示した膜—電極接合体 3は、図 5に示す一連の第 1工程 Pl、第 2工程 P2、第 3ェ程 P3、第 4工程 P4及び第 5工程 P5を経て低コストで容易に大量生産することができる。

[0081] まず、公知の薄膜製造技術を用いて、テープ状の高分子電解質膜 140 (切断後、図 1の高分子電解質膜 10となる部材)を卷回した高分子電解質ロール 122と、テープ状の膜補強部材 142A (切断後、図 1の第 1膜補強部材 22となる部材)を卷回した膜補強部材ロール 120Aと、テープ状の膜補強部材 142B (切断後、図 1の第 1膜補強部材 24となる部材)を卷回した膜補強部材ロール 120Bとを製造する。

次に、高分子電解質膜 140の側端部に膜補強部材 142Aと膜補強部材 142Bとを接合する（第 1工程 Pl)。この第 1工程 PIについて図面を用いて説明する。図 6は、図 5における第 1工程 P1の作業を説明するための説明図である。

[0082] 図 5及び図 6に示すように、ロール 120A力も膜補強部材 142Aを引き出し、ロール 120Bから膜補強部材 142Bを引き出し、ロール 122から高分子電解質膜 140を引き出し、これらを一対のローラ 124及びローラ 126を有する熱圧着機（図示せず）内に高分子電解質膜 140の側端部に膜補強部材 142A及び膜補強部材 142Bが載置されるようにして誘導する。図 6に示すように、高分子電解質膜 140、膜補強部材 142 A及び膜補強部材 142Bは、熱圧着機内のローラ 124とローラ 126との間を進行方向 D1に進む過程において、高分子電解質膜 140の側端部に膜補強部材 142A及び膜補強部材 142Bが載置された状態で接合され、テープ状の膜-膜補強部材積層体 141となる。ここで、ロール 120Aとロール 120Bとの間の幅は、第 1触媒層 31の大きさに対応するように調節されてヽる。

この第 1工程 P 1においては、図 14を用、て先に説明した燃料電池の保護膜 250 における R200の部分（張力が力かると浮き上がりやすい、張力が力かる方向と略垂直となる部分)が存在しないため、高分子電解質膜 140、膜補強部材 142A及び膜補強部材 142Bは、熱圧着機内のローラ 124とローラ 126との間を進行方向 D1に進む過程で、高分子電解質膜 140に対する膜補強部材 142A及び膜補強部材 142B の位置ずれやはがれの発生を十分に抑制することができる。

次に、積層体 141の裏面に膜補強部材 136A (切断後、図 1の第 2膜補強部材 26 となる部材)及び膜補強部材 136B (切断後、図 1の第 2膜補強部材 28となる部材)を接合する（第 2工程 P2)。この第 2工程 P2について図面を用いて説明する。図 7は、図 5における第 2工程 P2の作業を説明するための説明図である。

[0083] 図 5及び図 7に示すように、第 1工程 P1で得られた積層体 141はローラ 128及び口ーラ 130の駆動によりさらに第 2工程 P2のエリアまで進行方向 D1に進んで、ー且停止する。図 7に示すように、第 2工程 P2の行われるエリアには、積層体 141の裏面に、テープ状の基材 137A上にテープ状の膜補強部材 136Aが積層された基材—補強部材積層体 135Aが卷回されたロール 134Aと、テープ状の基材 137B上にテープ状の膜補強部材 136Bが積層された基材—補強部材積層体 135Bが卷回されたロール 134Bとが配置されている。

[0084] より具体的に説明すると、ロール 134Aは、当該ロール 134Aから引き出される積層体 135Aの進行方向 D2と積層体 141の進行方向 D1とが略垂直となり、かつテープ状の膜補強部材 136Aが積層体 141の高分子電解質膜 140の裏面 (膜補強部材 14 2A及び膜補強部材 142Bが配置されてヽな、面）に接触するように配置されて!ヽる。さらに、ロール 134Bは、当該ロール 134Bから引き出される積層体 135Bの進行方向 D3と積層体 141の進行方向 D1とが略垂直となり、かつテープ状の膜補強部材 13 6Bが積層体 141の高分子電解質膜 140の裏面 (膜補強部材 142A及び膜補強部材 142Bが配置されてヽな、面）に接触するように配置されて！、る。

[0085] このエリアにおいて、積層体 141が停止すると同時に、ロール 134Aから引き出された基材膜—膜補強部材積層体 135Aとロール 134Bから引き出された基材膜—膜補強部材積層体 135Bは、膜補強部材 136Aと膜補強部材 136Bが高分子電解質膜 1 40の裏面に接触するようにして停止する。次に、図示しない押圧手段により、高分子電解質膜 140と膜補強部材 136Aとの接触部分、及び高分子電解質膜 140と膜補強部材 136Bとの接触部分が位置ずれを起こさないようにして、基材膜—膜補強部材積層体 135Aと基材膜—膜補強部材積層体 135Bと積層体 141とが固定される。

[0086] 次に、図示しない二つのカッターにより、積層体 141の幅にあわせて（高分子電解質膜 140に接触する膜補強部材 136Aの部分、及び、高分子電解質膜 140に接触する膜補強部材 136Bの部分が残るようにして）、基材—膜補強部材積層体 135Aのうちの膜補強部材 136A及び基材膜—膜補強部材積層体 135Bのうちの膜補強部材 136Bが切断される。このとき、二つのカッターの切り込み深さは、基材膜—膜補強部材積層体 135Aのうちの基材 137A及び基材膜—膜補強部材積層体 135Bのうちの基材 137Bが切断されない深さに調節されている。また、基材 137A及び基材 137 Bも、この 2つのカッターにより切断されない十分な機械的強度 (硬さ、柔軟性)を有している。このようにして、積層体 141の裏面に第 2膜補強部材 26及び第 2膜補強部材 28が接合された積層体 143が得られる。ここで、ロール 134Aとロール 134Bとの間の幅は、第 2触媒層 32の大きさに対応するように調節されている。なお、 2つのカツタ一でなく 1つのカッターで切断する構成としてもよ!、。

[0087] さらに、第 2工程 P2では 136Aと 136Bを高分子電解質膜 140に十分に一体ィ匕させるための処理が施される。例えば、二つのカッターで切断する際に、押圧手段によりさらに加熱処理し、 136Aと 136Bを高分子電解質膜 140に融着させる処理を行ってもよい。また、例えば高分子電解質膜 140に接触させる前の 136Aと 136Bの表面（接触面となる部分）に、接着剤を塗工する前処理を行ってもよい。この前処理をする場合、上記の融着させる処理を行ってもよぐ融着させる処理を行わずに、押圧手段による加圧処理のみ行ってもよい。さらに、接着剤としては、電池特性を低下させないものであることが好ましい。例えば、高分子電解質膜 140と同種または異種 (但し、高分子電解質膜 140と十分に一体化可能な親和性を有するもの)の高分子電解質材料 (例えば、先に高分子電解質膜 10の構成材料として例示したもの)を分散媒又は溶媒に含有させた液を用いてもょ、。

[0088] この第 2工程 P1においては、図 14を用いて先に説明した燃料電池の保護膜 250 における R200の部分（張力が力かると浮き上がりやすい、張力が力かる方向と略垂直となる部分)が存在しない。具体的に説明すると、第 2工程 P1において積層体 141 の裏面に接合される第 2膜補強部材 26及び第 2膜補強部材 28は、張力がかかる方向と略垂直となる部分ではあるが、隣り合う第 2膜補強部材 26及び第 2膜補強部材 2 8同士は上記 R200の部分と異なり互いに直接結合しておらず、張力が力かっても浮き上がりにくい。そのため、第 2工程 P1においても、進行方向 D1に進む過程で、高分子電解質膜 140に対する第 2膜補強部材 26及び第 2膜補強部材 28の位置ずれやはがれの発生を十分に抑制することができる。図 14に示した R200の部分は、隣り合う R200の部分同士が同一の保護膜 250の一部として直接結合した構成となっているため浮き上がりやすい。

次に、積層体 143の形成後、積層体 143の膜補強部材 142A及び膜補強部材 142 Bの形成されている側の高分子電解質膜 140の主面 F1A (切断後、図 1の第 1主面 F 1となる面）に触媒層 190 (切断後、図 2の第 1触媒層 31となるもの）を形成する（第 3 工程 P3)。この第 3工程 P3について図面を用いて説明する。図 8は、図 5における第 3工程 P3の作業を説明するための説明図である。

図 5及び図 8に示すように、第 2工程 P2で得られた積層体 143はローラ 128及びローラ 130の駆動によりさらに第 3工程 P3のエリアまで進行方向 D1に進んで、ー且停止する。図 8に示すように、第 3工程 P3の行われるエリアには、このエリアで停止した積層体 143を、その裏面（上記高分子電解質膜 140の主面 F1Aの反対側の面)力も支える図示しない支持手段 (例えば支持台）と、高分子電解質膜 140の主面 F1Aの膜補強部材 142Aと膜補強部材 142Bとの間に触媒層 190を形成するためのマスク 18 6が配置されている。

このマスク 186には、開口部 186Aが設けられている。この開口部 186Aの形状と面積は、触媒層 190の形状と面積に対応するように設定されている。更に、第 3工程のエリアの上方には触媒層形成装置 130Cが配置されている。この触媒層形成装置 13 0Cには触媒層形成用インクを塗工又はスプレーするなどして、マスク 186Aの開口部 186Aに対応する高分子電解質膜 140の主面 F1Aの部分に触媒層 190を形成するための機構が備えられている。この機構は、公知の燃料電池のガス拡散層の触媒層を形成するために採用されている機構を採用することができる。例えば、スプレー法、スピンコート法、ドクターブレード法、ダイコート法、スクリーン印刷法に基づいて設計された機構を採用することができる。

次にこの第 3工程 P3の作業の流れの一例について詳細に説明する。まず、この第 3 工程 P3のエリアで停止した積層体 143が、マスク 186Aと支持台（図示せず）との間に挟持されるようにして固定される。次に、触媒層形成装置 130Cが作動し、マスク 1 86の開口部 186Aの上方力も触媒層形成用インクを塗工又はスプレーするなどして、マスク 186Aの開口部 186Aに対応する高分子電解質膜 140の主面 F1Aの部分に触媒層 190が形成され、触媒層 190が形成された積層体 144が得られる。次に、触媒層 190の形成後、マスク 186Aと支持台（図示せず）とが積層体 144からはなれる。次に、ローラ 128及びローラ 130の駆動により、積層体 144は進行方向 D1に沿つて移動する。

次に、積層体 144の形成後、積層体 144の高分子電解質膜 140の触媒層 190が形成されていない側の主面 (切断後、図 1の第 2主面 F2となる面，図示せず）に触媒層 (切断後、図 4の第 2触媒層 32となるもの，説明の便宜上以下、第 2触媒層 32という）を形成する（第 4工程 P4)。この第 4工程 P4について図 5を用いて説明する。

図 5に示すように、第 3工程 P3で得られた積層体 144はローラ 128及びローラ 130の駆動によりさらに第 4工程 P4のエリアまで進行方向 D1に進んで、ー且停止する。ここで、図 5に示すように、積層体 144はローラ 128のところで折り返えされ、高分子電解質膜 140の触媒層 190が形成されて、な、側の主面 F1B (図示せず）が上方を向き、高分子電解質膜 140の触媒層 190が形成されている側の主面 F1Aとが下方を向くように反転される。

第 4工程 P4の行われるエリアには、このエリアで停止した積層体 144を、その裏面（上記高分子電解質膜 140の主面 F1A)力支える図示しな!、支持手段 (例えば支持台）と、高分子電解質膜 140の主面 F1Bの第 2膜補強部材 26と第 2膜補強部材 28との間に第 2触媒層 32を形成するためのマスク（図示せず）が配置されている。

このマスクには、先に述べたマスク 186の開口部 186Aと同様の開口部（図示せず）が設けられている。この開口部の形状と面積は、第 2触媒層 32の形状と面積に対応するように設定されている。更に、図 5に示すように、第 4工程のエリアの上方には先に述べた触媒層形成装置 130Cと同様の機構を有する触媒層形成装置 130Bが配置されている。

次にこの第 4工程 P4の作業の流れも先に述べた第 3工程 P3と同様である。第 4工程 P4により、積層体 144上に第 2触媒層 32が更に形成された積層体 145が得られる。次に、ローラ 128及びローラ 130の駆動により、積層体 145は進行方向 D1に沿って移動する。

次に、図 5に示すように、積層体 145を裁断機構 132を有する裁断装置内に導入し、予め設定されたサイズで切断し、図 2に示す膜—触媒層接合体 2を得る (第 5工程 P5 )。

なお、触媒層 190及び第 2触媒層 32は適度な柔軟性を有するようにその成分組成、乾燥の度合いなどを調節し、ローラ 128及びローラ 130のところで折り返される際にも、高分子電解質膜 140から剥がれ落ちないための処置が施されている。また、触媒層 190及び第 2触媒層 32をそれぞれ高分子電解質膜 140上に形成するごとに、乾燥処理 (例えば加熱処理、送風処理及び脱気処理のうちの少なくとも 1つの処理）を適宜行ってもよい。

次に、膜—触媒層接合体 2に第 1ガス拡散層 41と第 2ガス拡散層 42とを接合させ、図 3に示した膜—電極接合体 3を得る。より具体的には、積層体 145を裁断した後に得られる膜触媒層接合体 2の大きさに対応する適度な大きさの第 1ガス拡散層 41 及び第 2ガス拡散層 42を用意しておき、膜-触媒層接合体 2に第 1ガス拡散層 41及び第 2ガス拡散層 42を接合してもよヽ。

また、テープ状のガス拡散層（例えばカーボンクロスなど）を卷回したガス拡散層卷回ロール（図示せず)を準備しておき、図 6に示した第 1工程と同様のはり合わせ機構を有する装置を用いて第 4工程 P4後に得られる帯状の積層体 145に対してガス拡散層卷回ロール力引き出したテープ状のガス拡散層を一体化させ、その後、第 5工程

P5と同様の裁断作業を行い、膜電極接合体 3を連続的に形成してもよい。この場合、更に、撥水カーボン層を形成する場合には、撥水カーボン層形成用インクを用いること以外は第 3工程 P3に用いた触媒層形成装置 130Cと同様の機構を有する撥水力一ボン層形成装置（図示せず)を用いてもよい。この場合、撥水カーボン層形成装置を、はり合わせる前の帯状の積層体 145又はテープ状のガス拡散層に撥水カーボン層形成用インクを塗工又はスプレーできるような位置に配置すればよい。また、撥水カーボン層を形成する場合には、撥水カーボン層を設定された位置に連続的に予め形成したテープ状のガス拡散層のロールを用いてもよ!、。

なお、先に述べた第 2工程 P2の作業を、第 3工程 P3の作業の後に行うように製造プロセスを設計してもよい。また、第 2工程 P2のエリア内で、第 2工程 P2の作業を終了後、連続的に第 3工程 P3の作業を行ってもよい。

次に、図 1に示した膜—膜補強部材接合体 1、図 2に示した膜—触媒層接合体 2及び図 3に示した膜電極接合体 3の製造方法の他の一例について図面を用いて説明する。

図 9は、膜—膜補強部材接合体 1の構成部材となる膜—膜補強部材積層体の製造方法を説明するための説明図である。図 10は、 2つの膜—膜補強部材積層体を接合する作業を説明するための説明図である。

まず、図 9に示すように、 3本以上のテープ状の膜補強部材 (切断後、図 1の第 2膜補強部材 26及び 28となる部材） 100, 102, 104, 106…が高分子電解質膜 110の一方の主面状に、互いが略平行となるように一定の間隔で配置された構成を有する膜 —膜補強部材積層体 100Aを作成する。膜-膜補強部材積層体 100Aは、例えば、図 6を用いて先に説明した第 1工程と同様の方法により作成することができる。なお、 3本以上のテープ状の膜補強部材 100, 102, 104, 106· ··のうちの隣り合う 2本の間隔は、後に形成する触媒層 (第 2触媒層 32)の大きさに対応するように調節されている。

次に、膜-膜補強部材積層体 100Aをテープ状の膜補強部材 100の長手方向に略垂直な方向から切断する（例えば、図 9では、このような方向から切断する切断線を点線 110A、 110B、 110Cとして例示する)。これにより、複数のテープ状の膜—膜補強部材積層体 108Bが得られる。図 9に示すように、このテープ状の膜—膜補強部材積層体 108Bにある複数の膜補強部材 (切断後、図 1の第 2膜補強部材 26及び 2 8となる部材）はそれぞれの長手方向が、本体のテープ状の膜膜補強部材積層体 108Bの長手方向と略垂直となるように配置されて、る。次にこのようにして得られたテープ状の膜-膜補強部材積層体 108Bを卷回しロール（図示せず）にする。一方、図 6に示した第 1工程と同様の方法により、テープ状の高分子電解質膜 140A の側端部に膜補強部材 142A及び膜補強部材 142Bが載置された状態で接合された膜-膜補強部材積層体 108A (図 10参照)を作製する。そして、得られた、膜-膜補強部材積層体 108Aを卷回しロール（図示せず）にする。なお、膜-膜補強部材積層体 108Aの幅 (短手方向の幅）と膜-膜補強部材積層体 108Bの幅 (短手方向の幅）は一致するように調節しておく。

次に、図 10に示すように、膜-膜補強部材積層体 108Aと、膜-膜補強部材積層体 108Bとを接合する。より具体的説明すると、それぞれのロール力膜—膜補強部材積層体 108Aと膜—膜補強部材積層体 108Bとを引き出し、これらを一対のローラ 17 0及びローラ 172を有する熱圧着機（図示せず）内に、重ね合わせるようにして誘導する。このとき、膜—膜補強部材積層体 108Aの高分子電解質膜 140Aの裏面 (膜補強部材の配置されていない側の面)と、膜-膜補強部材積層体 108Bの高分子電解質膜 140Aの裏面 (膜補強部材の配置されて、な、側の面）とが接合されるようにする。更にこのとき、膜—膜補強部材積層体 108Aの主面の法線方向から膜—膜補強部材積層体 108A及び膜-膜補強部材積層体 108Bをみたときに、膜-膜補強部材積層体 108Aから膜—膜補強部材積層体 108Bの一部がはみ出して見えないように、両者を重ね合わせる。

図 10に示すように、膜—膜補強部材積層体 108A及び膜—膜補強部材積層体 108 は、熱圧着機内のローラ 170とローラ 172との間を進行方向 D1に進む過程において、上述した状態で接合され、テープ状の膜-膜補強部材積層体 141となる。

テープ状の膜-膜補強部材積層体 141を製造した後は、例えば、先に述べた方法と同様の方法により、図 2に示した膜触媒層接合体 2及び図 3に示した膜電極接合体 3を製造することができる。

更に、膜電極接合体 3を用いて図 4に示した高分子電解質形燃料電池 4を作製する方法は特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池の製造技術を採用することができる。

[第 2実施形態]

次に、本発明の膜—膜補強部材接合体の第 2実施形態について図面を参照しながら説明する。図 11は、本発明の膜—膜補強部材接合体の第 2実施形態の基本構成の一例を示す斜視図である。

[0090] 図 11に示す第 2実施形態の膜膜補強部材接合体 1 Aは、後述する高分子電解質膜 10Aを搭載していること以外は、第 1実施形態に示す図 1の膜—膜補強部材接合体 1と同様の構成を有して、る。

[0091] 次に、高分子電解質膜 10Aについて説明する。図 11に示すように、高分子電解質膜-内部補強膜複合体 10Aは、互いに対向配置される第 1高分子電解質膜 11と第 2高分子電解質膜 12の間に内部補強膜 80が配置された 3層構造を有する膜である。第 1高分子電解質膜 11と第 2高分子電解質膜 12は図 1に示した高分子電解質膜 1 0と同じ構成を有する膜である。次に、図 11に示す内部補強膜 80について図 12を用いて詳しく説明する。図 12は、図 11に示した膜—膜補強部材接合体 1Aに備えられる内部補強膜 80の基本構成の一例を示す要部拡大正面図である。

内部補強膜 80は榭脂製のフィルムで構成され、図 12に示すように、厚み方向に貫通する複数の開口部（貫通孔) 82を有する。開口部 82の中には高分子電解質膜 11 及び高分子電解質膜 12と同成分又は異成分の高分子電解質が充填されている。内部補強膜 80の主面に対する開口部 82の面積の割合（開口度）は、 50%〜90%であることが好ましい。開口度を 50%以上とすると、十分なイオン導電性を容易に得ることができるようになる。一方、開口度を 90%以下とすると、内部補強膜 80の十分な機械的強度を容易に得ることができる。

[0092] さらに、内部補強膜 80としては、延伸加工された多孔質フィルム（図示せず:例えば、ジャパンゴァテックステップ社製'商品名「ゴァセレクト（11)」）であってもよい。このように、内部補強膜 80の開口部 82としては、非常に微細な細孔 (例えば細孔径が数十 m)であってもよい。この場合であっても、上述と同様の理由により、開口度（多孔度）は 50%〜90%であることが好ましい。

上述の内部補強膜 80を構成する榭脂としては、化学的安定性および機械的安定性の観点から、ポリテトラフルォロエチレン、フルォロエチレンプロピレン共重合体、テトラフルォロエチレンパーフルォロアルコキシエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフエ-レンスルフイド、ポリアリレート、ポリスルフイド、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、及び、ポリイミドアミド力らなる群より選択される少なくとも 1種の合成樹脂であることが好ま U、。

[0093] また、内部補強膜 80の構成としては、先に述べた高分子電解質膜 10の内部に、繊維状の補強体粒子及び球状の補強体粒子のうちの少なくとも一方を含有させることにより、上述の開口部を設けた構成としてもよい。上記の補強体粒子の構成材料としては、内部補強膜 80を構成する榭脂が挙げられる。

[0094] 高分子電解質膜 10Aの製造方法は特に限定されるものではなぐ公知の薄膜製造技術を用いて製造することができる。膜—膜補強部材接合体 1Aは、この高分子電解質膜 10Aを用いること以外は先に述べた膜-膜補強部材接合体 1と同様の方法により製造することがでさる。

[第 3実施形態]

本発明の第 3実施形態は、第 1実施形態の膜膜補強部材接合体 1の製造方法において、図 7に示す第 2工程 P2を手作業で行うものである。つまり、本実施形態では、図 7において、高分子電解質膜 140の一方の主面の側端部に膜補強部材 142A 及び膜補強部材 142Bをはり付けてなる積層体 141の他方の主面に、テープ状の膜補強部材 136A及びテープ状の膜補強部材 136Bが人手により所定長に切断してはり付けられる。その他は実施形態 1と同様である。また、第 1実施形態の高分子電解質膜 10に代えて、第 2実施形態の高分子電解質膜—内部補強膜複合体 10Aを用いることちでさる。

このような、本実施形態によれば、少なくとも、積層体 141、膜—触媒層接合体 2、及び膜電極接合体 3を大量生産することができ、従来に比べて製造コストを低減することができる。

実施例

[0095] 以下、実施例および比較例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明する力本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

《実施例 1》

本実施例では、まず、図 1に示した構造を有する本発明の膜—膜補強部材接合体を作製した。

[0096] 高分子電解質膜 10 (市販のパーフルォロカーボンスルホン酸カゝらなる高分子電解質膜、 150mmX 150mm,厚さ：40 m)の両面に、第 1膜補強部材 22及び 24並びに第 2膜補強部材 26及び 28を、それぞれ図 1に示した位置と同様の位置に配置した。

[0097] なお、第 1膜補強部材 22及び 24並びに第 2膜補強部材 26及び 28は、 PEN (ポリエチレンナフタレート)力もなるテープ状の薄膜 (厚さ： 20 m)を使用した。

[0098] 次に、上記のようにして得た膜—膜補強部材接合体を用い、図 2に示した構造を有する本発明の膜触媒層接合体を作製した。

[0099] 電極触媒である白金粒子をカーボン粉末上に担持させてなる触媒担持カーボン（田中貴金属工業 (株)製の TEC10E50E、 50質量％が1^)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液 (旭硝子 (株)製の Flemion)とを、エタノールと水との混合分散媒 (質量比 1： 1)に分散させて力ソード形成用インクを調製した。

[0100] また、電極触媒である白金ルテニウム合金（白金:ルテニウム = 1 : 1. 5モル比（物質量比) )粒子をカーボン粉末上に担持させてなる触媒担持カーボン（田中貴金属工業 (株)製の TEC61E54、 50質量％が1^— Ru合金）と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液 (旭硝子 (株)製の Flemion)とを、エタノールと水との混合分散媒 (質量比 1： 1)に分散させてアノード触媒層形成用インクを調製した。

[0101] 得られた力ソード触媒層形成用インクを、上述の高分子電解質膜の片面にスプレ一法によって塗布し、白金担持量が 0. 6mgZcm²で寸法が 140mm X 140mmの力ソード触媒層を、図 2に示した位置と同様の位置に配置されるように形成した。

[0102] さらに、得られたアノード触媒層形成用インクを、上述の高分子電解質膜の力ソード触媒層が形成された面とは反対の面にスプレー法によって塗布し、白金担持量が 0. 35mgZcm²で寸法が 140mmX 140mmのアノード触媒層を、図 2に示した位置と同様の位置に配置されるように形成した。

[0103] このようにしてアノード触媒層及び力ソード触媒層を形成することにより、膜一触媒層接合体を形成した。

[0104] つぎに、上記のようにして得た膜触媒層接合体を用い、図 3に示した構造を有する膜—電極接合体を作製した。

[0105] ガス拡散層を形成するために、寸法が 200mm X 200mmで厚みが 100 μ mの力一ボンペーパーを、フッ素榭脂含有の水性ディスパージヨンに含浸した後、乾燥することで上記カーボンクロスに撥水性を付与した (撥水処理)。

[0106] 続!、て、撥水処理後のカーボンペーパーの一方の面（全面）に撥水カーボン層を形成した。導電性カーボン粉末 (電気化学工業 (株)製のデンカブラック (商品名） )と、ポリテトラフルォロエチレン (PTFE)微粉末を分散させた水溶液 (ダイキン工業 (株）製の D— 1)とを混合し、撥水カーボン層形成用インクを調製した。この撥水カーボン層形成用インクを、ドクターブレード法によって、上記撥水処理後のカーボンぺーパ一の一方の面に塗布し、撥水カーボン層を形成した。このとき、撥水カーボン層の一部は、上記カーボンペーパーの中に埋めこまれて!/、た。

[0107] その後、撥水処理および撥水カーボン層形成後のカーボンペーパーを、 PTFEの融点以上の温度である 350°Cで 30分間焼成した。最後に上記カーボンペーパーの中央部分を抜き型にて切断し、寸法が 142. 5mm X 142. 5mmのガス拡散層を得た。

[0108] つぎに、上記のようにして得たガス拡散層の撥水カーボン層の中央部分が力ソード触媒層およびアノード触媒層に接するように、 2枚のガス拡散層で上述の膜触媒層接合体を挟み、全体をホットプレス機で熱圧着（120°C、 30分、 lOkgfZcm²)することにより、 2枚のガス拡散層のそれぞれが図 3に示した位置と同様の位置に配置されるようにして本発明の膜一電極接合体を得た。

[0109] 最後に、上記のようにして得た本発明の膜電極接合体を用い、図 4に示す構造を有する本発明の高分子電解質型燃料電池 (単電池 1)を作製した。

[0110] 上記膜電極接合体を、燃料ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するセパレータ板と、酸化剤ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するセパレータ板とで挟持し、両セパレータ板間で力ソードおよびアノードの周囲にフッ素ゴム製のガスケットを配置し、有効電極面積 (アノードまたは力ソードの有効電極面積）が 196cm² である単電池 (本発明の高分子電解質型燃料電池)を得た。

《比較例 1》第 1膜補強部材 22及び 24並びに第 2膜補強部材 26及び 28の代わりに、図 13に示した額縁状の保護膜 220及び保護膜 240 (ここでは、何れも実施例 1と同じ PEN 製のもの)を配置したこと以外は、実施例 1と同様にして膜—補強部材接合体、膜— 触媒層接合体、膜電極接合体および単電池 (単電池 2)を作製した。

[評価試験]

(1)エージング処理 (活性化処理）

実施例 1および比較例 1で得られた単電池 1及び単電池 2を、 64°Cに制御し、ァノード側のガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給し、力ソード側のガス流路に空気をそれぞれ供給した。この際、水素ガス利用率を 70%に設定し、空気利用率を 55% に設定し、水素ガスおよび空気の露点がそれぞれ約 64°Cとなるように加湿してから単電池に供給した。そして、電流密度 0. 2AZcm²で 12時間、単電池を運転してェ一ジングを行った。

(2)電池出力特性評価試験 1

実施例 1及び比較例 1の単電池について、燃料電池の実運転に近い条件で行う定格耐久試験を行った。

[0111] 定格耐久試験においては、電流密度を 0. 16AZcm²とし、アノード側のガス流路に、水素ガス利用率が 75%となるように、水素および二酸化炭素の混合ガス (体積比 3 : 1)を供給した以外は、上記エージングと同じ条件下で各単電池を運転し、 12時間経過後の出力電圧を記録した。

(3)電池出力特性評価試験 2

実施例 1及び比較例 1の単電池について、膜電極接合体の劣化を加速して、より短時間で寿命の判断が可能な加速耐久試験を行った。

[0112] 加速耐久試験においては、実施例 1および比較例 1で得られた単電池 1及び単電池 2を、 90°Cに制御した以外は、上記電池出力特性評価試験 1 (定格耐久試験）と同じ条件下で各単電池を運転し、 12時間経過後の出力電圧を記録した。なお、単電池 1及び単電池 2の 90°Cの制御は加熱用のヒータを用いて行った。

[0113] [表 1]

表 1に示した結果から明らかなように、実施例 1は、比較例 1と同等の電池出力特性を有することが確認できた。

[0114] 以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

[0115] 例えば、上述した本発明の実施形態については、膜補強部材 (例えば、図 1に示した第 1膜補強部材 22及び 24)の外側の周縁部 (エッジ)が高分子電解質膜 (例えば、図 1に示した高分子電解質膜 10)の周縁部 (エッジ)がー致して!/、る態様 (高分子電解質膜の主面の略法線方向から見た場合に膜補強部材の外側のエッジと高分子電解質膜のエッジが重なり、高分子電解質膜のエッジがはみ出て見えない状態となつている態様）について説明した力本発明はこれに限定されるものではなぐ本発明においては、例えば、本発明の効果を得られる範囲において、膜補強部材のエツジが高分子電解質膜のエッジよりも全体的に又は部分的にはみ出している構成を有していてもよぐ高分子電解質膜のエッジが膜補強部材のエッジよりも全体的に又は部分的にはみ出して、る構成を有して、てもよ、。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなぐその構造及び Z又は機能の詳細を実質的に変更できる。

産業上の利用可能性

[0116] 本発明の膜補強部材接合体、膜触媒層接合体、及び膜電極接合体は、大量生産が可能な高分子電解質形燃料電池の部品として有用である。

[0117] 本発明の高分子電解質形燃料電池は、自動車などの移動体、分散型 (オンサイト型)発電システム (家庭用コジェネレーションシステム)などの主電源又は補助電源として好適に利用されることが期待される。

本発明の膜補強部材接合体の製造方法、膜触媒層接合体の製造方法、及び膜電極接合体の製造方法は、大量生産が可能な高分子電解質形燃料電池の製造方法に用いられるものとして有用である。

本発明の高分子電解質形燃料電池の製造方法は、自動車などの移動体、分散型 (オンサイト型)発電システム（家庭用コジェネレーションシステム）などの主電源又は補助電源として好適に利用される高分子電解質形燃料電池の製造方法として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 互いに対向しておりかつ略矩形状を呈する 1対の第 1主面及び第 2主面を有する高分子電解質膜と、

前記第 1主面の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に配置されており、前記第 1主面よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する 1対の第 1膜補強部材と、

前記第 2主面の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に配置されており、前記第 2主面よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する 1対の第 2膜補強部材と、

を有しており、

前記 1対の第 1膜補強部材と前記 1対の第 2膜補強部材とは、全体として前記高分子電解質膜の 4辺に沿って延在しかつ前記高分子電解質膜の 4隅の部分を挟むように配置されている、膜—膜補強部材接合体。

[2] 前記高分子電解質膜中に配置されておりイオン伝導パスとなる貫通孔を有する内部補強膜を更に具備してヽる、請求項 1に記載の膜膜補強部材接合体。

[3] 請求項 1又は 2に記載の膜膜補強部材接合体と、

前記膜膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の前記第 1主面のうちの前記第 1膜補強部材が配置されてない領域の少なくとも一部に配置されている第 1触媒層と、

前記膜膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の前記第 2主面のうちの前記第 2膜補強部材が配置されていない領域の少なくとも一部に配置されている第 2触媒層と、を有する、膜触媒層接合体。

[4] 請求項 3に記載の膜触媒層接合体と、

前記膜—触媒層接合体の前記第 1触媒層を被覆するように配置されている第 1ガス拡散層と、

前記膜—触媒層接合体の前記第 2触媒層を被覆するように配置されている第 2ガス拡散層と、を有する、膜電極接合体。

[5] 前記第 1ガス拡散層は、前記第 1触媒層と前記第 1膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置されており、

前記第 2ガス拡散層は、前記第 2触媒層と前記第 2膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置されている、請求項 4に記載の膜—電極接合体。

[6] 請求項 4又は 5に記載の膜電極接合体を具備している、高分子電解質形燃料電池。

[7] 互いに対向しておりかつ略矩形状を呈する 1対の第 1主面及び第 2主面を有する高分子電解質膜の前記第 1主面の 4辺のうちの互いに対向する 1組の辺に沿う部分に、前記第 1主面よりも小さな主面を有しかつ膜状の形状を呈する 1対の第 1膜補強部材を配置する工程 Aと、

前記工程 A及び工程 Bにおいて、前記 1対の第 1膜補強部材と前記 1対の第 2膜補強部材とは、全体として前記高分子電解質膜の 4辺に沿って延在しかつ前記高分子電解質膜の 4隅の部分を挟むように配置される、膜—膜補強部材接合体の製造方法

[8] 前記工程 Aは、テープ状の前記高分子電解質膜のロールと 2つのテープ状の前記第 1膜補強部材のロールとを準備する工程と、各々のロールからテープ状の前記高分子電解質膜と 2つのテープ状の第 1膜補強部材とを引き出して、該テープ状の高分子電解質膜の第 1主面の両側端部に前記 2つの第 1膜補強部材を接合する工程と、前記 2つのテープ状の第 1膜補強部材がその両側端部に接合されたテープ状の高分子電解質膜を所定の長さに切断する工程と、を含むものである、請求項 7に記載の膜膜補強部材接合体の製造方法。

[9] 前記高分子電解質膜中にイオン伝導パスとなる貫通孔を有する内部補強膜が配置されている、請求項 7又は 8に記載の膜-膜補強部材接合体の製造方法。

[10] 請求項 7乃至 9のいずれかに記載の膜膜補強部材接合体方法によって膜膜補強部材接合体を製造する工程と、

前記膜膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の前記第 2主面のうちの前記第 2膜補強部材が配置されていない領域の少なくとも一部に第 2触媒層を配置する工程 Dと、を含む、膜触媒層接合体の製造方法。

[11] 請求項 10に記載の膜触媒層接合体の製造方法によって膜触媒層接合体を製造する工程と、

前記膜触媒層接合体の前記第 2触媒層を被覆するように第 2ガス拡散層を配置する工程 Fと、を有する、膜電極接合体の製造方法。

[12] 前記工程 Eにおいて、前記第 1ガス拡散層は、前記第 1触媒層と前記第 1膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置され、

前記工程 Fにおいて、前記第 2ガス拡散層は、前記第 2触媒層と前記第 2膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置される、請求項 11に記載の膜電極接合体の製造方法。

[13] 請求項 11又は 12に記載の膜電極接合体の製造方法によって膜電極接合体製造する工程を含む、高分子電解質形燃料電池の製造方法。