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
【課題】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−膜補強部材接合体等を提供する。
【解決手段】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、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、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、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、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。
【解決手段】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、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、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、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、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。
【発明の詳細な説明】
【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方法に関する。
【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化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を互い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が、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っている。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や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、ふっ素樹脂シート（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、ふっ素樹脂シート（保護膜）２２０及びふっ素樹脂シート（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いる。
【特許文献１】特開平５−２１０７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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おいて、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おいて、低コストで容易に大量生産ができる構成を有していないという理由を、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よ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を製造してこれを巻回してロール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）を製造してこれを巻回してロール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、一対のローラ２９０の間に挟んで一体化して積層体として巻回し、ロール２８０とする。なお、ローラ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、５０μｍ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において張力のか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。これにより、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つ製造する手間のかかる複雑な製造方法を採用することしかできなかった。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か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かった。
【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からなるロールを製造するといった、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、先に述べ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かかる複雑で高コストな製造方法を採用する必要がなく、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−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。
【００２３】
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工程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。
【００２４】
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触媒層を配置する工程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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【発明の効果】
【００２８】
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。
【００２９】
また、本発明によれば、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、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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きる。
【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。さらに、図４は、図３に示す膜−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いる。
【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いる。
【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１４２Ａ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を製造するといった、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かかる複雑で高コストな製造方法を採用する必要がなく、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の外縁とが一致しており、かつ、第２膜補強部材２６及び２８と高分子電解質膜１０の外縁とが一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く、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２８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いる。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、及びスルホンイ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い。
【００４６】
スルホン酸基を有する高分子電解質膜を構成する樹脂としては、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹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０．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以上であると、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く、イオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以下であると、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、イオン交換容量は０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂が特に好ましい。
【００４７】
高分子電解質としては、ＣＦ2＝ＣＦ−(ＯＣＦ2ＣＦＸ)m−Ｏp−(ＣＦ2)n−ＳＯ3Ｈで表されるパーフルオロビニル化合物（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オロメチル基を示す。）に基づく重合単位と、テトラフルオ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】
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、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】
ＣＦ2＝ＣＦＯ（ＣＦ2）q−ＳＯ3Ｈ ・・・（４）
ＣＦ2＝ＣＦＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）Ｏ（ＣＦ2）r−ＳＯ3Ｈ ・・・（５）
ＣＦ2＝ＣＦ（ＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3））tＯ（ＣＦ2）2−ＳＯ3Ｈ ・・・（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、締結圧力がか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を有している。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、締結圧力がか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２６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）されている。
【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、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオ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、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミドか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しい。
【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からは、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く、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２８の厚さ以下であることが好ましく、等しいことがより好ましい。
【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、同一であってもよく、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く、更に、ポリテトラフルオ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きる。
【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、ルテニウム、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、アルミニウム、ケイ素、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く、白金とルテニウムの合金が、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しい。
【００６０】
また、電極触媒の粒子は平均粒径１〜５ｎｍであることがより好ましい。平均粒径１ｎｍ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く、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５０ｍ２／ｇ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く、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２００〜９００ｍ２／ｇが特に好ましい。
【００６２】
また、導電性炭素粒子は、その平均粒径が０．１〜１．０μｍであることが好ましい。０．１μｍ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、フラッディ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１．０μｍ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く、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の面積よりも大きいことがより好ましい。
【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っ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く、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い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、同一であってもよく、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、フッ素樹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とから構成されている。
【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−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−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。
【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が、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Ｆ６に接する面）に設けられた溝からなるガス流路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。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５２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ｍＡ／ｃｍ２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、締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Ｐ１、第２工程Ｐ２、第３工程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）を巻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）を巻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）を巻回した膜補強部材ロール１２０Ｂとを製造する。
【００８２】
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Ｐ１）。この第１工程Ｐ１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。
【００８３】
図５及び図６に示すように、ロール１２０Ａから膜補強部材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いる。
【００８４】
この第１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（張力がかかると浮き上がりやすい、張力がか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。
【００８５】
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。
【００８６】
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及びローラ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、一旦停止する。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が巻回されたロール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が巻回されたロール１３４Ｂとが配置されている。
【００８７】
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１４２Ａ及び膜補強部材１４２Ｂが配置されていない面）に接触するように配置されている。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１３６Ｂ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が配置されていない面）に接触するように配置されている。
【００８８】
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１４０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。
【００８９】
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１３７Ｂ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つのカッターでなく１つのカッターで切断する構成としてもよい。
【００９０】
さらに、第２工程Ｐ２では１３６Ａと１３６Ｂを高分子電解質膜１４０に十分に一体化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く、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よい。
【００９１】
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（張力がかかると浮き上がりやすい、張力がか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２８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、張力がか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。
【００９２】
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１４２Ｂ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F１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。
【００９３】
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、一旦停止する。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）から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１８６が配置されている。
【００９４】
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１３０C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。
【００９５】
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１８６の開口部１８６Ａの上方から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に沿って移動する。
【００９６】
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。
【００９７】
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、一旦停止する。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が形成されていない側の主面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）から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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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）。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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を接合してもよい。
【０１０３】
また、テープ状のガス拡散層（例えばカーボンクロスなど）を巻回したガス拡散層巻回ロール（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巻回ロールから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カーボン層形成装置（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い。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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２８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いる。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を巻回しロール（図示せず）にする。
【０１０９】
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を巻回しロール（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。
【０１１０】
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、それぞれのロールから膜−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１７０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いない側の面）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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
図１１に示す第２実施形態の膜−膜補強部材接合体１Ａ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いる。
【０１１５】
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１０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。
【０１１６】
内部補強膜８０は樹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。
【０１１７】
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、ジャパンゴアテックステップ社製・商品名「ゴアセレクト（II）」）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μｍ）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。
【０１１８】
上述の内部補強膜８０を構成する樹脂としては、化学的安定性および機械的安定性の観点から、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオ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、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、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、ポリイミドアミドか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しい。
【０１１９】
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を構成する樹脂が挙げられる。
【０１２０】
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く、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きる。
［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を用いることもできる。
【０１２１】
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】
【０１２２】
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が、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。
【０１２３】
高分子電解質膜１０（市販のパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ、厚さ：４０μｍ）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。
【０１２４】
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）からなるテープ状の薄膜（厚さ：２０μｍ）を使用した。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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Ｐｔ）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）に分散させてカソード形成用インクを調製した。
【０１２７】
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Ｐｔ−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。
【０１２８】
得られたカ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ー法によって塗布し、白金担持量が０．６ｍｇ／ｃｍ2で寸法が１４０ｍｍ×１４０ｍｍのカソード触媒層を、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。
【０１２９】
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カ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０．３５ｍｇ／ｃｍ2で寸法が１４０ｍｍ×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。
【０１３０】
このようにしてアノード触媒層及びカソード触媒層を形成することにより、膜−触媒層接合体を形成した。
【０１３１】
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。
【０１３２】
ガス拡散層を形成するために、寸法が２００ｍｍ×２００ｍｍで厚みが１００μｍのカーボンペーパーを、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョンに含浸した後、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）。
【０１３３】
続いて、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、ポリテトラフルオロエチレン（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ペーパー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いた。
【０１３４】
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℃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×１４２．５ｍｍのガス拡散層を得た。
【０１３５】
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カ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℃、３０分、１０ｋｇｆ／ｃｍ2）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−電極接合体を得た。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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カ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（アノードまたはカ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℃に制御し、ア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、カ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℃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０．２Ａ／ｃｍ2 で１２時間、単電池を運転してエージングを行った。
（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。
【０１３８】
定格耐久試験においては、電流密度を０．１６Ａ／ｃｍ2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。
【０１３９】
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℃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℃の制御は加熱用のヒータを用いて行った。
【０１４０】
【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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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）が一致している態様（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っている態様）について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、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、膜補強部材のエッ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く、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いる構成を有していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】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】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】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】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。
【図１３】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、ふっ素樹脂シート（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】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よ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】
【０１４８】
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、１３０・・・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、１４２A、１４２B・・・膜補強部材、１４３、１４４、１４５・・・積層体、１８６・・・マスク、１８６A・・・開口部、１９０・・・触媒層、D１、D２、D３・・・進行方向、F1・・・第１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、P３・・・第３工程、P４・・・第４工程、P５・・・第５工程。
【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方法に関する。
【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化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を互い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が、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っている。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や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、ふっ素樹脂シート（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、ふっ素樹脂シート（保護膜）２２０及びふっ素樹脂シート（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いる。
【特許文献１】特開平５−２１０７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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おいて、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おいて、低コストで容易に大量生産ができる構成を有していないという理由を、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よ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を製造してこれを巻回してロール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）を製造してこれを巻回してロール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、一対のローラ２９０の間に挟んで一体化して積層体として巻回し、ロール２８０とする。なお、ローラ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、５０μｍ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において張力のか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。これにより、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つ製造する手間のかかる複雑な製造方法を採用することしかできなかった。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か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かった。
【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からなるロールを製造するといった、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、先に述べ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かかる複雑で高コストな製造方法を採用する必要がなく、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−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。
【００２３】
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工程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。
【００２４】
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触媒層を配置する工程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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【発明の効果】
【００２８】
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。
【００２９】
また、本発明によれば、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、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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きる。
【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。さらに、図４は、図３に示す膜−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いる。
【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いる。
【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１４２Ａ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を製造するといった、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かかる複雑で高コストな製造方法を採用する必要がなく、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の外縁とが一致しており、かつ、第２膜補強部材２６及び２８と高分子電解質膜１０の外縁とが一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く、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２８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いる。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、及びスルホンイ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い。
【００４６】
スルホン酸基を有する高分子電解質膜を構成する樹脂としては、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹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０．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以上であると、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く、イオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以下であると、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、イオン交換容量は０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂が特に好ましい。
【００４７】
高分子電解質としては、ＣＦ2＝ＣＦ−(ＯＣＦ2ＣＦＸ)m−Ｏp−(ＣＦ2)n−ＳＯ3Ｈで表されるパーフルオロビニル化合物（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オロメチル基を示す。）に基づく重合単位と、テトラフルオ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】
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、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】
ＣＦ2＝ＣＦＯ（ＣＦ2）q−ＳＯ3Ｈ ・・・（４）
ＣＦ2＝ＣＦＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）Ｏ（ＣＦ2）r−ＳＯ3Ｈ ・・・（５）
ＣＦ2＝ＣＦ（ＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3））tＯ（ＣＦ2）2−ＳＯ3Ｈ ・・・（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、締結圧力がか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を有している。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、締結圧力がか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２６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）されている。
【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、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオ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、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミドか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しい。
【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からは、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く、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２８の厚さ以下であることが好ましく、等しいことがより好ましい。
【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、同一であってもよく、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く、更に、ポリテトラフルオ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きる。
【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、ルテニウム、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、アルミニウム、ケイ素、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く、白金とルテニウムの合金が、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しい。
【００６０】
また、電極触媒の粒子は平均粒径１〜５ｎｍであることがより好ましい。平均粒径１ｎｍ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く、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５０ｍ２／ｇ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く、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２００〜９００ｍ２／ｇが特に好ましい。
【００６２】
また、導電性炭素粒子は、その平均粒径が０．１〜１．０μｍであることが好ましい。０．１μｍ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、フラッディ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１．０μｍ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く、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の面積よりも大きいことがより好ましい。
【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っ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く、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い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、同一であってもよく、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、フッ素樹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とから構成されている。
【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−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−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。
【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が、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Ｆ６に接する面）に設けられた溝からなるガス流路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。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５２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ｍＡ／ｃｍ２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、締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Ｐ１、第２工程Ｐ２、第３工程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）を巻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）を巻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）を巻回した膜補強部材ロール１２０Ｂとを製造する。
【００８２】
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Ｐ１）。この第１工程Ｐ１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。
【００８３】
図５及び図６に示すように、ロール１２０Ａから膜補強部材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いる。
【００８４】
この第１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（張力がかかると浮き上がりやすい、張力がか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。
【００８５】
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。
【００８６】
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及びローラ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、一旦停止する。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が巻回されたロール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が巻回されたロール１３４Ｂとが配置されている。
【００８７】
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１４２Ａ及び膜補強部材１４２Ｂが配置されていない面）に接触するように配置されている。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１３６Ｂ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が配置されていない面）に接触するように配置されている。
【００８８】
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１４０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。
【００８９】
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１３７Ｂ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つのカッターでなく１つのカッターで切断する構成としてもよい。
【００９０】
さらに、第２工程Ｐ２では１３６Ａと１３６Ｂを高分子電解質膜１４０に十分に一体化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く、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よい。
【００９１】
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（張力がかかると浮き上がりやすい、張力がか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２８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、張力がか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。
【００９２】
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１４２Ｂ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F１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。
【００９３】
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、一旦停止する。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）から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１８６が配置されている。
【００９４】
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１３０C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。
【００９５】
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１８６の開口部１８６Ａの上方から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に沿って移動する。
【００９６】
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。
【００９７】
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、一旦停止する。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が形成されていない側の主面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）から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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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）。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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を接合してもよい。
【０１０３】
また、テープ状のガス拡散層（例えばカーボンクロスなど）を巻回したガス拡散層巻回ロール（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巻回ロールから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カーボン層形成装置（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い。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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２８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いる。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を巻回しロール（図示せず）にする。
【０１０９】
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を巻回しロール（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。
【０１１０】
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、それぞれのロールから膜−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１７０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いない側の面）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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
図１１に示す第２実施形態の膜−膜補強部材接合体１Ａ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いる。
【０１１５】
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１０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。
【０１１６】
内部補強膜８０は樹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。
【０１１７】
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、ジャパンゴアテックステップ社製・商品名「ゴアセレクト（II）」）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μｍ）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。
【０１１８】
上述の内部補強膜８０を構成する樹脂としては、化学的安定性および機械的安定性の観点から、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオ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、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、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、ポリイミドアミドか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しい。
【０１１９】
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を構成する樹脂が挙げられる。
【０１２０】
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く、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きる。
［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を用いることもできる。
【０１２１】
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】
【０１２２】
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が、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。
【０１２３】
高分子電解質膜１０（市販のパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ、厚さ：４０μｍ）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。
【０１２４】
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）からなるテープ状の薄膜（厚さ：２０μｍ）を使用した。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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Ｐｔ）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）に分散させてカソード形成用インクを調製した。
【０１２７】
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Ｐｔ−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。
【０１２８】
得られたカ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ー法によって塗布し、白金担持量が０．６ｍｇ／ｃｍ2で寸法が１４０ｍｍ×１４０ｍｍのカソード触媒層を、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。
【０１２９】
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カ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０．３５ｍｇ／ｃｍ2で寸法が１４０ｍｍ×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。
【０１３０】
このようにしてアノード触媒層及びカソード触媒層を形成することにより、膜−触媒層接合体を形成した。
【０１３１】
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。
【０１３２】
ガス拡散層を形成するために、寸法が２００ｍｍ×２００ｍｍで厚みが１００μｍのカーボンペーパーを、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョンに含浸した後、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）。
【０１３３】
続いて、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、ポリテトラフルオロエチレン（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ペーパー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いた。
【０１３４】
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℃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×１４２．５ｍｍのガス拡散層を得た。
【０１３５】
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カ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℃、３０分、１０ｋｇｆ／ｃｍ2）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−電極接合体を得た。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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カ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（アノードまたはカ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℃に制御し、ア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、カ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℃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０．２Ａ／ｃｍ2 で１２時間、単電池を運転してエージングを行った。
（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。
【０１３８】
定格耐久試験においては、電流密度を０．１６Ａ／ｃｍ2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。
【０１３９】
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℃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℃の制御は加熱用のヒータを用いて行った。
【０１４０】
【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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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）が一致している態様（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っている態様）について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、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、膜補強部材のエッ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く、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いる構成を有していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】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】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】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】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。
【図１３】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、ふっ素樹脂シート（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】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よ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】
【０１４８】
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、１３０・・・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、１４２A、１４２B・・・膜補強部材、１４３、１４４、１４５・・・積層体、１８６・・・マスク、１８６A・・・開口部、１９０・・・触媒層、D１、D２、D３・・・進行方向、F1・・・第１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、P３・・・第３工程、P４・・・第４工程、P５・・・第５工程。
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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いる、請求項１に記載の膜−膜補強部材接合体。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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工程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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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触媒層を配置する工程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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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いる、請求項１に記載の膜−膜補強部材接合体。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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工程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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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触媒層を配置する工程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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−２４２６３７（Ｐ２００７−２４２６３７Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６６２８１（Ｐ２００７−１６６２８１）
【出願日】平成１９年６月２５日（２００７．６．２５）
【分割の表示】特願２００６−２４９４６６（Ｐ２００６−２４９４６６）の分割
【原出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２５日（２００７．６．２５）
【分割の表示】特願２００６−２４９４６６（Ｐ２００６−２４９４６６）の分割
【原出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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