JP5214471B2 - 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 - Google Patents

Description

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、及び高分子電解質形燃料電池の構造に関し、特に、膜−膜補強部材接合体の構造に関する。

高分子電解質形燃料電池積層体（通称、「ＰＥＦＣ」）は、発電運転の際の動作温度が他の燃料電池積層体（通称、「スタック」）の動作温度と比べて低いことに加え、出力密度が高くかつ長期信頼性に優れているため、燃料電池コージェネレーションシステムを構成するための燃料電池積層体として注目されている。

高分子電解質形燃料電池積層体は、都市ガス等の原燃料を改質して得る燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを用いる電気化学反応、具体的には、燃料ガスが含む水素と酸化剤ガスが含む酸素との電気化学反応により放出されるエネルギーを、発熱を伴いながら、電気エネルギーに直接変換する。ところで、この高分子電解質形燃料電池積層体は、単電池（通称、「セル」）を備えている。又、この単電池は、高分子電解質膜及びこれを挟む一対のガス拡散電極から構成される膜−電極接合体（通称、「ＭＥＡ」）と、一対のガスケットと、一対の導電性セパレータとを備えている。ここで、導電性セパレータの一方の、ガス拡散電極と当接する主面には、燃料ガスを通流させるための溝状の燃料ガス流路が設けられている。又、導電性セパレータの他方の、ガス拡散電極と当接する主面には、酸化剤ガスを通流させるための溝状の酸化剤ガス流路が設けられている。そして、膜−電極接合体の周縁部に一対のガスケットが配置され、これが一対の導電性セパレータにより挟まれることにより、単電池が構成されている。そして、この単電池が所定数積層されて、高分子電解質形燃料電池積層体が構成されている。

さて、高分子電解質形燃料電池積層体が備える単電池の製造方法に関しては、組み立て性の改善を図った膜−電極接合体の連続的な製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図３１は、特許文献１に開示されている膜−電極接合体の製造工程（触媒層塗布工程及び拡散層一体化工程）の概要を模式的に示す工程図である。

図３１に示すように、特許文献１に開示されている膜−電極接合体の製造工程では、触媒層塗布工程３１０において、高分子電解質膜３３０の上面及び下面に触媒層３３１，３３１を各々塗布した後、これをホットロール３８０，３８０により乾燥させることで、触媒層−高分子電解質膜接合体３３２を形成する。次いで、この膜−電極接合体の製造工程では、拡散層一体化工程３２０において、触媒層−高分子電解質膜接合体３３２の上面及び下面に拡散層３３３，３３３を各々配置した後、これをホットロール３９０，３９０により加熱することで、触媒層３３１，３３１に拡散層３３３，３３３を各々接合する。このように、連続的な製造方法が採られることにより、単電池を製造する際の膜−電極接合体の組み立て作業が容易となる。

一方、高分子電解質形燃料電池積層体の構成としては、所定数の単電池を直線状に積層した後に締結して、これにより隣接する膜−電極接合体を互いに電気的に直列に接続するという、いわゆる積層型の構成が一般的である。このような積層型の構成では、高分子電解質形燃料電池積層体を製造する際、積層された単電池の両端を端板で挟み、その一対の端板と積層された単電池とを所定の締結具により締結する。このため、膜−電極接合体における高分子電解質膜は、締め付けの圧力に耐えられるように、又、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、適切な保護手段によって保護されている必要がある。

そこで、このような要求に対応するために、高分子電解質膜に額縁状の保護膜を取り付けた膜−電極接合体の構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図３２は、特許文献２に開示されている固体高分子電解質型燃料電池積層体における単電池の構造を模式的に示す断面図である。

図３２に示すように、フッ素樹脂系シートで形成された額縁状の保護膜２２０は、固体高分子電解質膜２１０の各々の主面に、その内周縁部が電極２１３によって覆われるようにして配設されている。又、ガスケット２１２と電極２１３との間に隙間部分２１４を有するようにして、ガスケット２１２が、電極２１３を囲むようにして配設されている。これにより、ガスケット２１２及び電極２１３と固体高分子電解質膜２１０との間で保護膜２２０が確実に挟持され、保護膜２２０が隙間部分２１４において固体高分子電解質膜２１０を補強するため、固体高分子電解質膜２１０の厚みを厚くすることなく、固体高分子電解質膜２１０の破損を好適に防止することができる。
特開２００１−２３６９７１号公報 特開平０５−２１０７７号公報

しかしながら、特許文献２に開示されている固体高分子電解質型燃料電池積層体における単電池の構造では、額縁状の保護膜２２０を予め形成しておき、固体高分子電解質膜２１０、保護膜２２０、及び電極２１３を一緒に複合化する、いわゆるバッチ式で膜−電極接合体を製造することを前提としている。そのため、特許文献１に開示されているような膜−電極接合体の製造工程によっては、更なる低コスト化、及び更なる生産性の向上を意図した場合、即ち、効率的な大量生産を意図した場合には、未だ改善の余地があった。

本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、十分な耐久性を確保することが可能でありかつ単電池の低コスト化、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、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体、及びそれを用いた高分子電解質形燃料電池を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る膜−膜補強部材接合体は、略四角形の形状を有しかつ第一主面及び第二主面を有する高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の四辺の内の互いに対向する一方の組の辺に沿って延び、かつ、その主面が露出しないように前記高分子電解質膜に埋められた一対の膜状の第一膜補強部材と、前記高分子電解質膜の四辺の内の互いに対向する他方の組の辺に沿って延び、かつ、その主面が露出しないように前記高分子電解質膜に埋められた一対の膜状の第二膜補強部材と、を備え、前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、該一対の第一膜補強部材が該一対の第二膜補強部材よりも前記第一主面に近く位置し、かつ、前記高分子電解質膜の四隅の部分において該高分子電解質膜の厚み方向から見て重なるように埋められている。

かかる構成とすると、高分子電解質膜の周囲が一対の第一膜補強部材及び一対の第二膜補強部材により補強されているので、高分子電解質形燃料電池を締結する際の高分子電解質膜の破損を確実に防止することが可能になる。又、一対の第一膜補強部材及び一対の第二膜補強部材が高分子電解質膜の四隅の部分で重なるように埋められているので、燃料ガス及び酸化剤ガス（反応ガス）のクロスリークを確実に防止することが可能になる。

又、かかる構成とすれば、テープ状の高分子電解質膜にテープ状の膜補強部材を積層して、これによりテープ状の高分子電解質膜及び膜補強部材からなる積層体を製造するといった、特許文献１に開示されている膜−電極接合体の製造方法を、本発明に係る膜−膜補強部材接合体の製造方法に容易に適用することが可能になる。又、額縁状の保護膜を用いる特許文献２に開示された膜−電極接合体の構成と比較する場合には、同等の耐久性を確実に確保しながら、材料費を低減することが可能になる。

このように、本発明に係る膜−膜補強部材接合体の構成によれば、十分な耐久性を確保しながら、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。

この場合、前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の四隅の部分において各々の主面同士が接触するように埋められている。

かかる構成とすると、高分子電解質膜の四隅の部分において、一対の第一膜補強部材と一対の第二膜補強部材との各々の主面同士が接触しているので、高分子電解質膜を十分に補強することが可能になる。

又、上記の場合、前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の四隅の部分において各々の主面同士が接触しないように埋められている。

ここで、前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の四隅の部分において、前記高分子電解質膜を挟むようにして、各々の主面同士が接触しないように埋められている。

かかる構成とすると、一対の第一膜補強部材及び一対の第二膜補強部材が高分子電解質膜の四隅の部分において相互に離隔され、高分子電解質膜を介しているので、一対の第一膜補強部材と一対の第二膜補強部材とが経時的に剥離することを確実に防止することが可能になる。

又、上記の場合、前記一対の第一膜補強部材は前記第一主面における該一対の第一膜補強部材に対向する第一部分とその他の第二部分とが実質的に同一平面上に位置するように前記高分子電解質膜に埋められており、前記一対の第二膜補強部材は前記第二主面における該一対の第二膜補強部材に対向する第一部分とその他の第二部分とが実質的に同一平面上に位置するように前記高分子電解質膜に埋められている。

かかる構成とすると、高分子電解質膜の第一主面及び第二主面が各々平面状に形成されているので、第一主面及び第二主面の上に第一触媒層及び第二触媒層を容易に形成することが可能になる。

又、上記の場合、前記高分子電解質膜は、その内部に、イオン伝導パスとなる貫通孔を有する内部補強膜を有している。

かかる構成とすると、高分子電解質膜がその内部にイオン伝導パスとなる貫通孔を有する内部補強膜を有しているので、イオン伝導を確実に確保しながら、高分子電解質膜の機械的な強度を更に高めることが可能になる。又、高分子電解質膜が破損した場合でも、内部補強膜により燃料ガス及び酸化剤ガスのクロスリークを確実に防止することが可能になる。

この場合、前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の四隅の部分において、前記内部補強膜を挟むように埋められている。

かかる構成とすると、一対の第一膜補強部材と一対の第二膜補強部材と内部補強膜とが一体化されているので、高分子電解質膜の機械的な強度を飛躍的に高めることが可能になる。

一方、本発明に係る膜−触媒層接合体は、上記本発明に係る特徴的な構成を備える膜−膜補強部材接合体と、前記高分子電解質膜の第一主面を覆うように配置された第一触媒層と、前記高分子電解質膜の第二主面を覆うように配置された第二触媒層と、を備え、前記第一触媒層は前記一対の第一膜補強部材の主面の一部と前記高分子電解質膜における該一対の第一膜補強部材の間に位置する部分とに該高分子電解質膜の厚み方向から見て重なりを有するように配置されており、前記第二触媒層は前記一対の第二膜補強部材の主面の一部と前記高分子電解質膜における該一対の第二膜補強部材の間に位置する部分とに該高分子電解質膜の厚み方向から見て重なりを有するように配置されている。

かかる構成とすると、第一触媒層及び第二触媒層の端部が一対の第一膜補強部材及び一対の第二膜補強部材に対して重なりを有するように配置されているので、第一触媒層及び第二触媒層による高分子電解質膜の破損を確実に防止することが可能になる。

この場合、前記第一触媒層及び前記第二触媒層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て各々の周縁部が全周に亘って前記第一膜補強部材及び前記第二膜補強部材と重なるように配置されている。

かかる構成とすると、第一触媒層及び第二触媒層が高分子電解質膜の厚み方向から見て各々の周縁部が全周に亘って第一膜補強部材及び第二膜補強部材と重なるように配置されているので、燃料ガス及び酸化剤ガスのクロスリークをより一層確実に防止することが可能になる。

一方、本発明に係る膜−電極接合体は、上記本発明に係る特徴的な構成を備える膜−触媒層接合体と、前記膜−触媒層接合体の前記第一触媒層を覆うように配置された第一ガス拡散層と、前記膜−触媒層接合体の前記第二触媒層を覆うように配置された第二ガス拡散層と、を備えている。

かかる構成とすると、耐久性、経済性及び生産性に優れる膜−触媒層接合体を用いて膜−電極接合体を構成するので、耐久性及び経済性に優れる膜−電極接合体を需要に応じて確実に提供することが可能になる。

一方、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、上記本発明に係る特徴的な構成を備える膜−電極接合体を備えている。

かかる構成とすると、耐久性、経済性及び生産性に優れる膜−電極接合体を用いて高分子電解質形燃料電池を構成するので、耐久性及び経済性に優れる高分子電解質形燃料電池を需要に応じて確実に提供することが可能になる。

本発明に係る膜−膜補強部材接合体、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体、及びそれを用いた高分子電解質形燃料電池の構成によれば、十分な耐久性を確保することが可能であり、かつ単電池の低コスト化、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、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体、及びそれを用いた高分子電解質形燃料電池を提供することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の実施の形態１，２について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明では、全ての図面において、同一又は相当部分には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池積層体（以下、「ＰＥＦＣ」という）が備える単電池（以下、「セル」という）の概略的な構成を模式的に示す断面図である。尚、図１においては、セルの一部の構成を省略している。

図１に示すように、本実施の形態に係るＰＥＦＣのセル１００ａは、膜−電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という）５と、このＭＥＡ５の内部に配設された第一膜補強部材１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂと、ガスケット１１，１１と、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂと、を備えている。

ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード触媒層（第一触媒層）２ａ及びアノードガス拡散層（第一ガス拡散層）３ａから構成されるアノード４ａと、カソード触媒層（第二触媒層）２ｂ及びカソードガス拡散層（第二ガス拡散層）３ｂから構成されるカソード４ｂと、を備えている。尚、本明細書では、高分子電解質膜１と第一膜補強部材１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂとからなる接合体を、「膜−膜補強部材接合体２０」という。又、本明細書では、膜−膜補強部材接合体２０とアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂとからなる接合体を、「膜−触媒層接合体３０」という。

先ず、高分子電解質膜１及び膜−膜補強部材接合体２０の構成について説明する。

図２は、図１に示すＰＥＦＣのセル１００ａにおける高分子電解質膜１の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。又、図３は、図２に示す高分子電解質膜１に第一膜補強部材１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂが配置された状態（膜−膜補強部材接合体２０）の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。

図２に示すように、高分子電解質膜１は、主面Ｆ１側から見て略四角形（ここでは、矩形）の形状を有している。そして、この高分子電解質膜１の縁部には、一対の第一凹部１ａ，１ａと、一対の第二凹部１ｂ，１ｂとが形成されている。具体的に説明すると、高分子電解質膜１の主面Ｆ１における対向する一組の辺Ｅ１，Ｅ１の全長に沿って、主面Ｆ１から高分子電解質膜１の厚み方向において所定の距離を隔てるようにして、各々短冊状の形状を有する一対の第一凹部１ａ，１ａが形成されている。又、高分子電解質膜１の主面Ｆ２における対向する一組の辺Ｅ２，Ｅ２の全長に沿って、主面Ｆ２から高分子電解質膜１の厚み方向において所定の距離を隔てるようにして、各々短冊状の形状を有する一対の第二凹部１ｂ，１ｂが形成されている。ここで、図２に示すように、本実施の形態では、一対の第一凹部１ａ，１ａが一対の第二凹部１ｂ，１ｂよりも主面Ｆ１に近く位置している。

そして、図３に示すように、高分子電解質膜１に形成された第一凹部１ａ，１ａの各々には、短冊状の形状を有しかつ第一凹部１ａ，１ａと同一の形状を有する膜状の第一膜補強部材１０ａ，１０ａが、過不足なく一致するように埋設されている。換言すれば、第一膜補強部材１０ａ，１０ａが、その主面を露出しないようにして、高分子電解質膜１に埋め込まれている。又、高分子電解質膜１に形成された第二凹部１ｂ，１ｂの各々には、短冊状の形状を有しかつ第二凹部１ｂ，１ｂと同一の形状を有する膜状の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂが、過不足なく一致するように埋設されている。つまり、第一膜補強部材１０ａ，１０ａの場合と同様にして、第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂが、その主面を露出しないようにして、高分子電解質膜１に埋め込まれている。

ここで、図３に示すように、一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａと一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂとは、全体として高分子電解質膜１の四辺に沿って延在し、かつ高分子電解質膜１の四隅の部分において重なる状態（以下、この状態を必要に応じて「井桁組状」という）で配置されている。より具体的には、一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａと一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂとは、高分子電解質膜１の四隅の部分において各々の主面同士が接触する状態で配置されている。又、これらの一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａは、主面Ｆ１における一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａと対向する第一部分と、主面Ｆ１における一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａの間に位置する部分に対応する第二部分とが実質的に同一平面上に位置するようにして、高分子電解質膜１に埋められている。又、一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂは、主面Ｆ２における一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂと対向する第一部分と、主面Ｆ１における一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの間に位置する部分に対応する第二部分とが実質的に同一平面上に位置するようにして、高分子電解質膜１に埋められている。つまり、膜−膜補強部材接合体２０において、主面Ｆ１及び主面Ｆ２は各々平坦状に構成されている。

尚、第一凹部１ａ，１ａ及び第二凹部１ｂ，１ｂに配置される第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの厚み及び幅方向の寸法は、本発明の効果が得られる範囲であれば特に限定はされないが、本発明の効果をより確実に得る観点から、第一膜補強部材１０ａ，１０ａの厚み及び幅方向の寸法と第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの厚み及び幅方向の寸法とは、互いに等しいことが好ましい。

次に、膜−膜補強部材接合体２０の各構成要素について説明する。

高分子電解質膜１は、プロトン伝導性を有している。この高分子電解質膜１としては、例えば、陽イオン交換基としてのスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、又はスルホンイミド基を有するものが好ましい。ここで、好適なプロトン伝導性を確保する観点から、高分子電解質膜１は、スルホン酸基を有するものが特に好ましい。

又、高分子電解質膜１を構成するスルホン酸基を有する樹脂としては、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇの乾燥樹脂であることが好ましい。その理由は、高分子電解質膜１を構成する乾燥樹脂のイオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ以上であれば、発電時における高分子電解質膜１の抵抗値の上昇を十分に低減することができるからである。又、高分子電解質膜１を構成する乾燥樹脂のイオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ以下である場合には、高分子電解質膜１の含水率が増大せず、膨潤し難くなり、後述する触媒層２の細孔が閉塞する恐れを回避することができるからである。又、以上と同様の観点から、より望ましくは、高分子電解質膜１を構成する乾燥樹脂のイオン交換容量は、０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇであることが好ましい。

高分子電解質膜１としては、化学式（１）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又は１を示し、Ｘはフッ素原子又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の各々を含む共重合体であることが好ましい。

ＣＦ₂＝ＣＦ−(ＯＣＦ₂ＣＦＸ)_m−Ｏ_p−(ＣＦ₂)_n−ＳＯ₃Ｈ ・・・（１）
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、化学式（２）〜（４）で表される化合物が挙げられる。但し、下記の化学式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。

ＣＦ₂＝ＣＦＯ（ＣＦ₂）_q−ＳＯ₃Ｈ ・・・（２）
ＣＦ₂＝ＣＦＯＣＦ₂ＣＦ（ＣＦ₃）Ｏ（ＣＦ₂）_r−ＳＯ₃Ｈ ・・・（３）
ＣＦ₂＝ＣＦ（ＯＣＦ₂ＣＦ（ＣＦ₃））_tＯ（ＣＦ₂）₂−ＳＯ₃Ｈ ・・・（４）
又、第１膜補強部材１０ａ及び第２膜補強部材１０ｂの構成材料は、製造時にロールに巻回できかつその巻回を解いたときに元の形状に戻ることのできる柔軟性と可とう性とを有する合成樹脂であることが好ましい。

更に、上記の合成樹脂としては、第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの各々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一以上の樹脂から構成される合成樹脂であることがより好ましい。

次に、膜−触媒層接合体３０の構成について説明する。

図４（ａ）は、図１に示すＰＥＦＣのセル１００ａにおける膜−触媒層接合体３０の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。又、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す矢印ＩＶｂの方向から見た場合の模式図である。

図４（ａ）に示すように、膜−触媒層接合体３０は、膜−膜補強部材接合体２０と触媒層２（アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ）とを備えている。アノード触媒層２ａは、高分子電解質膜１の主面Ｆ１側において、一方の第一膜補強部材１０ａの一部から他方の第一膜補強部材１０ａの一部に渡るように配置されている。又、図４（ａ）では隠れているが、カソード触媒層２ｂは、高分子電解質膜１の主面Ｆ２側において、一方の第二膜補強部材１０ｂの一部から他方の第二膜補強部材１０ｂの一部に渡るように配置されている。そして、図４（ｂ）に示すように、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、本実施の形態では、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成され、高分子電解質膜１の厚み方向（つまり、図４（ａ）の矢印ＩＶｂの方向）から見て、各々の周縁部が全周に亘って第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂと重なりを有するように配置されている。

これにより、アノード触媒層２ａにおける主面の四辺のうち、互いに対向する一組の辺Ｅ３，Ｅ３は、高分子電解質膜１の主面Ｆ１における第一膜補強部材１０ａ，１０ａにより補強された部分に当接するため、高分子電解質膜１は破損されない。同様にして、カソード触媒層２ｂにおける主面の四辺のうち、互いに対向する一組の辺Ｅ４，Ｅ４は、高分子電解質膜１の主面Ｆ２における第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂにより補強された部分と当接するため、高分子電解質膜１は破損されない。

一方、アノード触媒層２ａにおける主面の四辺のうち互いに対向する辺Ｅ４，Ｅ４は、高分子電解質膜１の主面Ｆ１と直接当接するため、高分子電解質膜１が当該部分で破損する場合もある。しかしながら、このような場合であっても、高分子電解質膜１の主面Ｆ２側には、当該部分に第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂが配置されているので、反応ガスがクロスリークすることはない。又、同様にして、カソード触媒層２ｂにおける主面の四辺のうち互いに対向する辺Ｅ３，Ｅ３は、高分子電解質膜１の主面Ｆ２と直接当接するため、高分子電解質膜１が当該部分で破損する場合もある。しかしながら、このような場合であっても、高分子電解質膜１の主面Ｆ１側には、当該部分に第一膜補強部材１０ａ，１０ａが配置されているので、反応ガスがクロスリークすることはない。

触媒層２の構成としては、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池におけ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。例えば、電極触媒が担持された導電性炭素粒子（粉末）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ような構成であってもよく、又、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を更に含むような構成であってもよい。又、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの構成は、相互に同一であってもよく、異なっていてもよい。

又、触媒層２は、公知の高分子電解質形燃料電池におけるガス拡散電極の触媒層の製造方法を用いて形成してもよい。例えば、触媒層２の構成材料（例えば、上述した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）を調整し、これを用いて作成してもよい。

尚、高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜１を構成する材料と同種のものを使用してもよく、又、異なる種類のものを使用してもよい。又、電極触媒としては、金属粒子を用いることができる。当該金属粒子としては、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から、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、亜鉛及びスズからなる金属群より選択される少なくとも一以上の金属であることが好ましい。中でも、白金、又は白金と上記金属群より選択される少なくとも一以上の金属との合金が好ましい。例えば、白金とルテニウムとの合金が、アノード触媒層２ａにおいて触媒の活性が安定することから、特に好ましい。

又、電極触媒に用いる上記金属粒子は、平均粒径が１〜５ｎｍであることが好ましい。その理由は、平均粒径が１ｎｍ以上である電極触媒は、工業的に調製が容易であるため好ましい。又、平均粒径が５ｎｍ以下であると、電極触媒質量当たりの活性をより十分に確保し易くなるため、高分子電解質形燃料電池のコストダウンに貢献するため好ましい。

又、上記導電性炭素粒子は、その比表面積が５０〜１５００ｍ²／ｇであることが好ましい。その理由は、導電性炭素粒子の比表面積が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となり、その結果、得られた触媒層２の出力特性をより十分に確保することができるためである。又、導電性炭素粒子の比表面積が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、その結果、触媒層２の出力特性をより十分に確保することができるためである。上記と同様の観点から、より望ましくは、導電性炭素粒子の比表面積は２００〜９００ｍ²／ｇであることが好ましい。

又、上述し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。その理由は、導電性炭素粒子の平均粒径が０．１μｍ以上であると、触媒層２におけるガスの拡散性をより十分に確保し易くなり、その結果、フラッディングをより確実に防止することができるためである。又、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ので、十分な電極性能をより確保し易くなるためである。

次に、ＭＥＡ（膜−電極接合体）５の構成について説明する。

図５（ａ）は、図１に示すＰＥＦＣのセル１００ａにおけるＭＥＡ５の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。又、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す矢印Ｖｂの方向から見た場合の模式図である。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＥＡ５では、膜−触媒層接合体３０のアノード触媒層２ａの主面を覆うようにして、アノードガス拡散層３ａが設けられている。又、同様にして、このＭＥＡ５では、カソード触媒層２ｂの主面を覆うようにして、カソードガス拡散層３ｂが設けられている。ここで、アノード触媒層２ａとアノードガス拡散層３ａとから、アノード４ａが構成されている。又、カソード触媒層２ｂとカソードガス拡散層３ｂとから、カソード４ｂが構成されている。アノード４ａ及びカソード４ｂを併せて電極４という。尚、本実施の形態では、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂの主面は、それぞれ、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面と相似の矩形に形成され、かつ、それらよりも幾分大きくなるように構成されているが、このような構成に限定されることはなく、それぞれの主面が同一の形状を有していてもよい。

アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂ（以下、ガス拡散層３という）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、公知の高分子電解質形燃料電池におけ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。又、ガス拡散層３の構成は、互いに同一であってもよく、或いは互いに異なっていてもよい。

ガス拡散層３としては、例えば、ガスの透過性を具備させるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー又はカーボンクロス等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。又、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化合物等をガス拡散層３の中に分散させてもよい。更に、十分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末等の電子伝導性材料でガス拡散層３を構成してもよい。

又、アノードガス拡散層３ａとアノード触媒層２ａとの間、及び、カソードガス拡散層３ｂとカソード触媒層２ｂとの間には、撥水性高分子化合物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、ＭＥＡ５における水の管理（即ち、ＭＥＡ５の良好な特性維持に必要となる水の保持、及び、不必要な水の迅速な排水）を、より容易にかつより確実に行うことができる。

次に、セル１００ａの構成に関して、説明を省略した部分の構成について説明する。

図１に示すように、ＭＥＡ５のアノード４ａ及びカソード４ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで、一対のフッ素ゴム製のガスケット１１，１１が配設されている。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスがセル１００ａの外部にリークされることが防止されると共に、セル１００ａの内部でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。尚、図１では図示しないが、高分子電解質膜１、第一及び第二膜補強部材１０ａ，１０ｂ、及びガスケット１１の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等のマニホールド孔が適宜設けられている。

又、ＭＥＡ５とガスケット１１とを挟むようにして、導電性のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂとが配設されている。これらのアノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂは、黒鉛板にフェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板が用いられている。尚、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂとしては、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂとにより、ＭＥＡ５が機械的に固定されると共に、隣接するＭＥＡ５同士が互いに電気的に直列に接続される。

アノードセパレータ６ａの内面（ＭＥＡ５に当接する面）には、燃料ガスを流すための溝状の燃料ガス流路７が例えばサーペンタイン状に形成されている。一方、アノードセパレータ６ａの外面（ＭＥＡ５に当接しない面）には、熱媒体を流すための溝状の熱媒体流路９が例えばサーペンタイン状に形成されている。又、図１では図示しないが、アノードセパレータ６ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等のマニホールド孔が設けられている。

一方、カソードセパレータ６ｂの内面（ＭＥＡ５に当接する面）には、酸化剤ガスを流すための溝状の酸化剤ガス流路８が例えばサーペンタイン状に形成されている。一方、カソードセパレータ６ｂの外面（ＭＥＡ５に当接しない面）には、アノードセパレータ６ａの場合と同様、熱媒体を流すための溝状の熱媒体流路９が例えばサーペンタイン状に形成されている。又、図１では図示しないが、カソードセパレータ６ｂの周縁部には、アノードセパレータ６ａの場合と同様、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等のマニホールド孔が設けられている。

尚、本実施の形態では、燃料ガス流路７、酸化剤ガス流路８、及び、熱媒体流路９の各々はサーペンタイン状に形成されているが、これに限定されることはない。例えば、アノード及びカソードセパレータ６ａ，６ｂの主面の概ね全領域を反応ガス又は熱媒体が通流するような構成であれば、如何なる形状であってもよい。

このように形成したセル１００ａをその厚み方向に積層することにより、セル１００ａの積層体が形成される。この際、アノードセパレータ６ａ、カソードセパレータ６ｂ及びガスケット１１に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔等のマニホールド孔は、セル１００ａを積層することにより厚み方向にそれぞれ連結され、これにより、燃料ガス供給マニホールド等のマニホールドがそれぞれ形成される。そして、セル１００ａの積層体の両端に集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されている端板を配置し、所定の締結具により締結することで、スタック（ＰＥＦＣ）が形成される。

次に、本実施の形態に係るＰＥＦＣにおけるＭＥＡの製造方法について説明する。尚、以下に説明するようにして製造されたＭＥＡを用いて、セル及びスタック（ＰＥＦＣ）を製造する方法は、特に限定されず、公知のＰＥＦＣの製造技術を採用することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

先ず、膜−触媒層接合体３０の製造方法について説明する。

図６は、膜−触媒層接合体を製造するための一連の工程（処理エリア）及び製造ラインの一部を概略的に示す模式図である。

図６に示すように、図４（ａ）に示した膜−触媒層接合体３０は、高分子電解質膜テープと膜補強部材テープとを接合して膜−膜補強部材接合体テープを形成する接合工程Ｐ１と、膜−膜補強部材接合体テープを乾燥する熱処理工程Ｐ２と、膜−膜補強部材接合体テープを熱圧着する熱圧着工程Ｐ３と、膜−膜補強部材接合体テープに触媒層を塗工する塗工工程Ｐ４と、膜−触媒層接合体テープを所定の長さに切断する裁断工程Ｐ５との各々の工程を経て製造される。これにより、図１に示すＭＥＡ５を、低コストで、かつ、容易に大量生産することが可能となる。

先ず、接合工程Ｐ１について具体的に説明する。

図７及び図８は、膜−触媒層接合体の製造工程における接合工程Ｐ１を説明するための模式図である。

先ず、公知の薄膜製造技術を用い、長尺状の高分子電解質膜テープ４１ａ（切断後、図１に示す高分子電解質膜１となる部材）を巻回した高分子電解質膜ロール４０と、膜補強部材テープ６１（切断後、図１に示す膜補強部材１０ａ，１０ｂとなる部材）を巻回した膜補強部材ロール６０とを製造する。

次に、図７に示すように、高分子電解質膜ロール４０から高分子電解質膜テープ４１ａを引き出すと共に、一対の膜補強部材ロール６０，６０の各々から一対の膜補強部材テープ６１，６１を各々引き出し、これらを一対のローラ８０，８１を有する熱圧着機（図７では図示せず）の内部に誘導する。この際、一対の膜補強部材テープ６１，６１が高分子電解質膜テープ４１ａの両側端部に配置されるよう、高分子電解質膜テープ４１ａ及び一対の膜補強部材テープ６１，６１の相対的な位置決めを行う。そして、熱圧着機内で高分子電解質膜テープ４１ａ及び一対の膜補強部材テープ６１，６１は、予熱されたローラ８０とローラ８１との間を進行方向Ｄ１側に進む過程において接合される。これにより、長尺状の膜−膜補強部材接合体テープ４２が形成される。

尚、高分子電解質膜テープ４１ａに接触させる前に、一対の膜補強部材テープ６１，６１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。この場合、上記のようにローラ８０，８１を予熱して加圧処理を行ってもよく、或いは、予熱を行わずに加圧処理のみ行ってもよい。又、この場合、接着剤としては、セル１００ａの放電特性を低下させないものを用いることが好ましい。例えば、接着剤としては、高分子電解質膜テープ４１ａと同種又は異種（但し、高分子電解質膜テープ４１ａ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１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。

次に、図８に示すように、膜−膜補強部材接合体テープ４２の高分子電解質膜テープ４１ａ及び膜補強部材テープ６１，６１によって形成される溝状の凹部４３に、ブレード４５を用いて高分子電解質のキャスト膜４１ｂを形成する。具体的には、高分子電解質を水置換やアルコール分散等により液状にして、適宜な粘度に調整した高分子電解質溶液４４を凹部４３に適量載置した後、ブレード４５の下端を膜−膜補強部材接合体テープ４２における膜補強部材テープ６１，６１の上面（主面）に当接させる。そして、膜−膜補強部材接合体テープ４２を進行方向Ｄ１側に動かすことで、ブレード４５の下端と凹部４３との間に高分子電解質のキャスト膜４１ｂが形成される。

次に、熱処理工程Ｐ２について具体的に説明する。

熱処理工程Ｐ２では、接合工程Ｐ１で形成した高分子電解質膜のキャスト膜４１ｂに含まれる液体を適切な手段で熱処理（例えば、高分子電解質を分散した分散剤が気化する温度に調整された乾燥炉中に膜−膜補強部材接合体テープ４２を通過させることにより乾燥する）を行って除去することにより、高分子電解質膜テープ４１ｃが、高分子電解質膜テープ４１ａの主面の上（凹部４３）に形成される。ここで、高分子電解質膜テープ４１ｃの表面は、膜−膜補強部材接合体テープ４２における一対の膜補強部材テープ６１，６１の表面と面一となるように形成される。

次に、熱圧着工程Ｐ３について具体的に説明する。

熱圧着工程Ｐ３では、熱処理工程Ｐ２で形成した高分子電解質膜テープ４１ｃと高分子電解質膜テープ４１ａとを完全に一体化するために熱圧着する。具体的には、膜−膜補強部材接合体テープ４２と高分子電解質膜テープ４１ｃとを一対のローラ８２，８３を有する熱圧着機（図６では図示せず）を通過させる。ここで、ローラ８２及びローラ８３は、高分子電解質膜テープ４１ａ及び高分子電解質膜テープ４１ｃを構成する高分子電解質のガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度となるように予熱されている。従って、熱圧着機内のローラ８２とローラ８３との間を進行方向Ｄ１側に進む過程において、膜−膜補強部材接合体テープ４２と高分子電解質膜テープ４１ｃとが、高分子電解質膜テープ４１ａと高分子電解質膜テープ４１ｃとが接合されて完全に一体化され、これにより、長尺状の膜−膜補強部材接合体テープ４６が形成される。

ところで、膜−膜補強部材接合体テープ４６は、以下のように形成してもよい。

図９は、膜−膜補強部材接合体テープを形成する他の製造方法を示した模式図である。

先ず、図９に示すように、公知の薄膜製造技術を用いて、長尺状の高分子電解質膜テープ４１ｃを巻回した高分子電解質膜ロール４０ｃを製造する。この際、高分子電解質膜テープ４１ｃの幅寸法を、膜−膜補強部材接合体テープ４２の凹部４３の幅寸法と同じになるように形成する。

次に、図９に示すように、高分子電解質膜ロール４０ｃから高分子電解質膜テープ４１ｃを引き出し、膜−膜補強部材接合体テープ４２の凹部４３に、その高分子電解質膜テープ４１ｃが嵌合するようにして、図９では図示されない熱圧着機内に膜−膜補強部材接合体テープ４２と高分子電解質膜テープ４１ｃとを誘導する。そして、熱圧着機内で膜−膜補強部材接合体テープ４２の高分子電解質膜テープ４１ａと高分子電解質膜テープ４１ｃとが接合され完全に一体化されて、長尺状の膜−膜補強部材接合体テープ４６が形成される。

又、膜−膜補強部材接合体テープ４６は、以下のようにして形成してもよい。

図１０は、膜−膜補強部材接合体テープ４６を形成する他の製造方法（ロールナイフコーター（コンマコーター）を用いた製造方法）を示した模式図である。又、図１１は、図１０に示すロールナイフコーターの要部を拡大した模式図である。

先ず、公知の薄膜製造技術を用いて、長尺の基材シート８４の両側端部に一対の膜補強部材テープ６１，６１が貼付された基材−膜補強部材接合体テープ８６を作製し、該基材−膜補強部材接合体テープ８６を巻回した基材−膜補強部材ロール８５を用意する。そして、基材−膜補強部材接合体テープ８６の一方の主面（以下、表面）に、図１０及び図１１に示す公知のロールナイフコーター９５を用いて、断面が凸状の高分子電解質膜のキャスト膜４１ｂを作製する。

ここで、ロールナイフコーター９５について、簡単に説明する。

図１０に示すように、キャスト膜４１ｂの製造ラインには、所定の回転方向に回転する回転ロール９２が配置されている。この回転ロール９２に、基材−膜補強部材ロール８５から引き出された基材−膜補強部材接合体テープ８６が巻き付けられている。回転ロール９２の下方には、回転ロール９２に巻かれた基材−膜補強部材接合体テープ８６との間に所定の間隙を有し、かつ、回転ロール９２に平行にアプリケータロール９３が配置されている。アプリケータロール９３は、回転ロール９２と反対方向に回転される。そして、アプリケータロール９３を囲むように液ダム部９４が形成されていて、アプリケータロール９３の下部がこの液ダム部９４に溜められた塗工液（ここでは、高分子電解質溶液４４）に浸漬されている。又、基材−膜補強部材接合体テープ８６の進行方向におけるアプリケータロール９３の後方斜め上方には、ロールナイフ９６が配置されている。

図１０及び図１１に示すように、ロールナイフ９６は、円柱体の周面にその軸方向の全長に渡って一対のＶ字状の切欠部９７が形成された形状に形成されている。一対の切欠部９７は、円柱体の中心軸に対称に形成されている。各切欠部９７の、基材−膜補強部材接合体テープ８６の進行方向前側の側面９７ａと円柱体の周面とにより形成される稜部が振れ刃部９６ａを構成している。このロールナイフ９６が、一方の振れ刃部９６ａが回転ロール９２に巻かれた基材−膜補強部材接合体テープ８６との間に所定の間隙を有するようにして、回転ロール９２に平行に固定されている。

このように構成されたロールナイフコーター９５では、回転ロール９２とアプリケータロール９３の間を基材−膜補強部材接合体テープ８６が通過し、これらのロール９２，９３の間を通過するときに基材−膜補強部材接合体テープ８６の表面に高分子電解質溶液４４が塗布される。そして、高分子電解質溶液４４が塗布された基材−膜補強部材接合体テープ８６は、回転ロール９２の周面に沿って移動する。このとき、基材−膜補強部材接合体テープ８６には、基材シート８４と一対の膜補強部材テープ６１，６１の間に凹部が形成されているため、高分子電解質膜のキャスト膜４１ｂは、その厚み方向の断面が、凸状に形成される。これにより、基材−高分子電解質膜テープ８７が形成される。尚、回転ロール９２の周面（正確には、基材−膜補強部材接合体テープ８６の表面）とロールナイフ９６の振れ刃部９６ａとの間の間隔によって、基材−膜補強部材接合体テープ８６の表面に形成される高分子電解質膜テープ４１ａの膜厚が決定される。

次に、上述のようにして形成された基材−高分子電解質膜テープ８７のキャスト膜４１ｂに含まれる液体を、熱処理工程Ｐ２と同様に、適宜な手段で熱処理を行って除去する。次いで、基材−高分子電解質膜テープ８７から基材シート８４を適宜な手段により剥がして、膜−膜補強部材接合体テープ４６が形成される。

尚、ここでは、ロールナイフコーターを用いて、基材−高分子電解質膜テープ８７を形成したが、これに限定されず、スロットダイコーター、リップコーター、及びグラビアコーター等の公知のコーティング装置を用いて、基材−高分子電解質膜テープ８７を形成してもよい。

次に、塗工工程Ｐ４について具体的に説明する。

図１２は、膜−触媒層接合体の製造工程における塗工工程Ｐ４を説明するための模式図である。

先ず、塗工工程Ｐ４が行われるエリアの構成について説明する。

図１２に示すように、塗工工程Ｐ４が設けられるエリアには、開口部４８を有するマスク４７と、膜−膜補強部材接合体テープ４６における一対の膜補強部材テープ６１，６１が配置されている側の主面（以下、「裏面」という）から膜−膜補強部材接合体テープ４６を支える図１２では図示されない所定の支持手段（例えば、支持台）と、触媒層形成装置４９（図６参照）とが配置されている。ここで、開口部４８の形状は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示した触媒層２の主面の形状に対応するように設計されている。又、触媒層形成装置４９には、触媒層形成用インクを塗工又はスプレーする等して膜−膜補強部材接合体テープ４６の表面に触媒層２を形成するための機構が備えられている。尚、この機構としては、公知である高分子電解質形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、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、スクリーン印刷法等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、塗工工程Ｐ４における処理内容について説明する。

先ず、熱圧着工程Ｐ３で形成された膜−膜補強部材接合体テープ４６が塗工工程Ｐ４エリアの手前にまで進むと、例えば所定の反転機構により１８０°反転された後、一旦停止される。そして、膜−膜補強部材接合体テープ４６が、マスク４７と図１２では図示されない支持台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４９が作動され、マスク４７における開口部４８の上方から触媒層形成用インクが塗工されることにより、膜−膜補強部材接合体テープ４６における高分子電解質膜テープ４１ａの主面に、一対の膜補強部材テープ６１，６１の主面における少なくとも一部と重なりを有するようにして、触媒層２が形成される。触媒層２が形成されると、膜−膜補強部材接合体テープ４６からマスク４７及び支持台が離間する。このようにして形成された膜−触媒層接合体テープ５０は、進行方向Ｄ１に沿って移動する。これにより、膜−触媒層接合体テープ５０には、触媒層２が、その長手方向に所定のピッチで形成される。

尚、触媒層２は、適度な柔軟性を有するように、その成分組成、及び乾燥の度合い等が適切に調節されている。又、触媒層２を形成する際には、膜−触媒層接合体テープ５０の裏表が反対になった場合でも高分子電解質膜テープ４１ａから触媒層２が剥がれ落ちないようにするための処置（例えば、予め支持台を加熱して、触媒層形成用のインクの分散剤を乾燥処理する）が施される。尚、触媒層２を形成する度に、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一つの処理に代表される所定の乾燥処理を適宜行ってもよい。

次に、裁断工程Ｐ５について具体的に説明する。

先ず、一方の膜−触媒層接合体テープ５０と、他方の膜−触媒層接合体テープ５０とを準備する。その後、それぞれの長手方向が実質的に垂直となるように、かつ、互いに裏面が対向するように（一方の膜補強部材テープ６１，６１と他方の膜補強部材テープ６１，６１とが向かい合うように）配置する。そして、一組の膜−触媒層接合体テープ５０，５０の裏面が互いに重なるようにして、熱圧着機構と裁断機構とを有する裁断機５１の内部に誘導する。すると、裁断機５１の内部に誘導された一方の膜−触媒層接合体テープ５０の裏面と、他方の膜−触媒層接合体テープ５０の裏面とが、熱圧着機構により熱圧着される。次いで、裁断機５１の裁断機構により、予め設定された所定の大きさに裁断されて、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す膜−触媒層接合体３０が得られる。尚、膜−触媒層接合体テープ５０を予め設定された大きさに裁断し、裁断した一組の膜−触媒層接合体テープ５０を接合することにより、膜−触媒層接合体３０を形成してもよい。

尚、図６に示す本実施の形態に係る膜−触媒層接合体の製造ラインでは、高分子電解質膜テープ４１ａが、膜−触媒層接合体テープ５０が形成されるまで、連続するテープ状の形態で移動される。このように、高分子電解質膜テープ４１ａを進行方向Ｄ１に適切に移動させるために、本実施の形態では、当該テープを牽引するキャプスタンやローラ対等の牽引機構、当該テープに適度な張力を付与するテンショナー等の張力付与機構、及び、当該テープを所定エリア（例えば、塗工工程Ｐ４）に一時停止させ、かつ、その後早送りするためのダンサーローラ等のシート一時蓄積機構及びシート送り機構等が、この膜−触媒層接合体の製造ラインの適所に設けられている。しかしながら、これらの各々の機構は周知であるので、ここでは、それらの記載を省略する。

又、裁断工程（エリア）Ｐ５においては、一方の膜−触媒層接合体の製造ラインと他方の膜−触媒層接合体の製造ラインとが交差している。そして、裁断工程Ｐ５において、この他方の膜−触媒層接合体の製造ラインで製造された他方の膜−触媒層接合体テープ５０が反転されて図６に示す一方の膜−触媒層接合体の製造ラインで製造された一方の膜−触媒層接合体シート５０と直交するように配置されて、上述の如く加工される。この他方の膜−触媒層接合体の製造ラインは、図６〜図１２に示す膜−触媒層接合体の製造ラインと全く同じである。そのため、ここではその説明を省略する。

次に、ＭＥＡ５の製造方法について具体的に説明する。

上述のようにして得られた膜−触媒層接合体３０における触媒層２の主面に、予め適切な大きさに裁断したガス拡散層３（例えば、カーボンクロス等）を接合することにより、ＭＥＡ５が得られる。尚、撥水カーボン層形成インクを予め触媒層２又はガス拡散層３の主面に塗工等して、撥水カーボン層を形成することにより、ＭＥＡ５を形成してもよい。

又、裁断工程Ｐ５の前に、膜−触媒層接合体テープ５０の触媒層２の主面にガス拡散層３を接合して、ＭＥＡ５を形成してもよい。この場合、予め裁断されたガス拡散層３を触媒層２の主面に接合して膜−電極接合体テープを形成してもよく、又、テープ状のガス拡散層を触媒層２の主面に接合し、裁断して膜−電極接合体テープを形成してもよい。そして、得られた一組の膜−電極接合体テープを上述した裁断工程Ｐ５の場合と同様の方法で接合及び裁断することで、ＭＥＡ５が形成される。尚、撥水カーボン層形成インクを予め触媒層２又はガス拡散層３の主面に塗工等することにより、撥水カーボン層を形成してから、ＭＥＡ５を形成してもよい。

ここで、比較例として、特許文献２に開示された膜−膜補強部材接合体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方法について説明する。

図１３は、公知の薄膜積層体の製造技術を用いて膜−膜補強部材接合体を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方法の一例を示す説明図である。

先ず、図１３に示すように、予め製造されたテープ状の固体高分子電解質膜２６０を巻回して固体高分子電解質膜ロール２６２とし、その一方で、予め製造されたテープ状の保護膜２５０（図３２に示した保護膜２２０を連続的に形成したテープ状のもの）を巻回して保護膜ロール２５２とする。

次に、上述した本実施の形態に係る接合工程Ｐ１と同様にして、テープ状の固体高分子電解質膜２６０における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。具体的には、固体高分子電解質膜ロール２６２及び保護膜ロール２５２からテープ状の保護膜２５０及びテープ状の固体高分子電解質膜２６０を引っ張り出し、一対のローラ２９０，２９０の間に挟んで一体化して積層体とする。そして、この一体化された積層体を巻回して、膜−保護膜接合体ロール２８０とする。

この膜−保護膜接合体ロール２８０を製造する際、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。この場合、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と保護膜ロール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の部分にシワが発生する可能性が高くなる。又、ローラ２９０と膜−保護膜接合体ロール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。

このため、特許文献２に開示された固体高分子電解質型燃料電池の製造方法としては、不良品を発生させることなく良品を確実に製造する観点から、バッチ式の製造方法により固体高分子電解質膜に保護膜を一つ一つ位置決めして貼り付けるという、非常に手間のかかる複雑かつ高コストな製造方法を採用せざるを得ない。

一方、本実施の形態では、図１３に示す保護膜２５０におけるＲ２００の部分、即ち、張力がかかる方向と略垂直となる部分であって、張力がかかると浮き上がり易い部分が存在しない。そのため、本実施の形態によれば、高分子電解質膜テープ４１ａに膜補強部材テープ６１，６１を接合する際に、膜補強部材テープ６１，６１の位置ずれや剥がれを確実に防止することができる。

このように、本発明の実施の形態１に係るＰＥＦＣの構成によれば、高分子電解質膜の破損及び反応ガスのクロスリークの発生等を確実に防止することが可能となり、かつ、安価に大量生産することが可能となる。

又、本発明の実施の形態１に係るＰＥＦＣの構成によれば、一対の膜補強部材テープ６１，６１にシワが発生する可能性は極めて低く、よって、バッチ式の製造方法に代えてロール式の製造方法を適用することができるため、補強された破損し難い高分子電解質膜を容易に製造することが可能になる。これにより、反応ガスのクロスリークの発生等が確実に抑制された好適なＰＥＦＣを容易に製造することが可能になる。

又、一般的に、ＰＥＦＣを薄型化するためには、アノードセパレータ及びカソードセパレータを薄型化すると共に、ＭＥＡを薄型化する必要がある。ここで、ＭＥＡを薄型化するためには、高分子電解質膜を薄型化すると共に、アノード触媒層及びカソード触媒層を薄型化する必要がある。ところで、高分子電解質膜を薄型化する場合、アノード触媒層及びカソード触媒層の特に四隅の角部によるＭＥＡの損傷の程度は、高分子電解質膜の強度が低下するため、高分子電解質膜を薄型化しない場合よりも大きくなる。そのため、従来のＭＥＡの構成では、かかるＭＥＡの損傷を抑制するために、アノード触媒層及びカソード触媒層の四隅を湾曲状に加工する場合があった。ここで、このような、アノード触媒層及びカソード触媒層の加工作業は、ＭＥＡのコストアップの原因となる場合があった。しかしながら、本発明によれば、高分子電解質膜を薄型化する場合であっても、その高分子電解質膜の四隅の部分には膜補強部材が二重に埋設されているので、アノード触媒層及びカソード触媒層の四隅を湾曲状に加工することなく、アノード触媒層及びカソード触媒層によるＭＥＡの損傷を効果的に抑えることができる。これにより、ＰＥＦＣを薄型化する場合であっても、高分子電解質膜の破損及び反応ガスのクロスリークの発生等を確実に防止することが可能となり、かつ、安価に大量生産することが可能となる。

（実施の形態２）
図１４は、本発明の実施の形態２に係るＰＥＦＣが備えるセルの概略的な構成を示す断面図である。又、図１５は、図１４に示すＰＥＦＣのセルにおける高分子電解質膜−内部補強膜複合体の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。

本発明の実施の形態２に係るＰＥＦＣのセルは、実施の形態１に係るＰＥＦＣのセルと比べて基本的な構成は同じであるが、以下の点で異なる。

図１４に示すように、本実施の形態に係るＰＥＦＣのセルは、高分子電解質膜１に代えて、高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５を備えている。尚、特許請求の範囲における「高分子電解質膜」には、この高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５も含まれる。そして、この高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５は、一対の小片状の高分子電解質膜１５ａ，１５ｂと、小片状の内部補強膜１５ｃとを有している。ここで、高分子電解質膜１５ａ，１５ｂ及び内部補強膜１５ｃは、互いに主面が対向するように配置されている。又、図１４に示すように、高分子電解質膜１５ａ，１５ｂには、互いに対向する一組の辺に沿って延びるように凹部が形成されており、これらの凹部は、厚み方向（法線方向）から見た場合に井桁組状が観察されるように形成されている。この凹部の各々に、第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂが配置される。又、本実施の形態では、高分子電解質膜１５ａ，１５ｂの間に内部補強膜１５ｃが挟み込まれている。

次に、内部補強膜１５ｃの構成について、図１６を用いて更に詳細に説明する。

図１６は、図１５に示す高分子電解質膜−内部補強膜複合体における内部補強膜の概略的な構成を示す模式図である。尚、図１６では、内部補強膜の一部のみを図示している。

図１６に示すように、内部補強膜１５ｃは、その厚み方向に貫通する複数の開口（貫通孔）１６を有している。この開口１６には、高分子電解質膜１５ａ，１５ｂと同じ成分又は異なる成分の高分子電解質が充填されている。ここで、内部補強膜１５ｃの主面の面積に対する開口１６の面積の割合（開口度）は、５０％〜９０％であることが好ましい。このように、開口度を５０％以上とすることにより、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％以下とすることにより、内部補強膜１５ｃの十分な機械的強度を容易に得ることができる。尚、内部補強膜１５ｃが備える開口１６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。

内部補強膜１５ｃとしては、樹脂性のフィルムであってもよく、又、延伸加工された多孔質フィルム（例えば、ジャパンゴアテックス社製「ゴアセレクト（Ｒ）」）であってもよい。

上述の内部補強膜１５ｃを構成する樹脂としては、化学的安定性及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、及び、ポリイミドアミドからなる樹脂群より選択される少なくとも一以上の合成樹脂であることが好ましい。

又、内部補強膜１５ｃの構成としては、板状の高分子電解質膜の内部に、繊維状の補強体粒子及び球状の補強体粒子の少なくとも一方を含有させることにより、高分子電解質膜の強度を補強する構成としてもよい。尚、補強体粒子の構成材料としては、例えば、内部補強膜１５ｃを構成する樹脂が挙げられる。

又、高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５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。そして、ＰＥＦＣのセルは、この高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５を用いること以外は、上述したセルと同様の方法により製造することができる。

以上、本発明の実施の形態１，２について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、本発明の実施の形態１，２では、第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの外側の周縁部（エッジ部）が、高分子電解質膜の周縁部（エッジ部）と一致している態様（即ち、高分子電解質膜１の主面の略法線方向から見た場合、第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの外側のエッジと高分子電解質膜１のエッジが重なり、高分子電解質膜１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、本発明はこのような態様に限定されるものではない。例えば、本発明の効果を得られる範囲において、第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂのエッジが高分子電解質膜１のエッジよりも全体的に又は部分的にはみ出ている構成を有していてもよく、それとは反対に、高分子電解質膜１のエッジが第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂのエッジよりも全体的に又は部分的にはみ出ている構成を有していてもよい。

又、本発明の実施の形態１，２では、高分子電解質膜１，１５ａ，１５ｂ、内部補強膜１５ｃは、各々略四角形であればよい。即ち、本発明の実施の形態１，２では、高分子電解質膜１及び内部補強膜１５ｃの各々における四つの内角が９０度でなくてもよく、又、四つの辺が多少湾曲していてもよく、或いは、四つの角が面取りされていてもよい。

（実施の形態３）
以下、本発明を実施するための最良の実施の形態３，４について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明でも、全ての図面において、同一又は相当部分には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。

図１７は、本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池積層体（以下、「ＰＥＦＣ」という）が備える単電池（以下、「セル」という）の概略的な構成を模式的に示す断面図である。尚、図１７においては、セルの一部の構成を省略している。

図１７に示すように、本実施の形態に係るＰＥＦＣのセル１００ｂは、膜−電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という）５と、このＭＥＡ５の内部に配設された第一膜補強部材１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂと、ガスケット１１，１１と、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂと、を備えている。

ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード触媒層（第一触媒層）２ａ及びアノードガス拡散層（第一ガス拡散層）３ａから構成されるアノード４ａと、カソード触媒層（第二触媒層）２ｂ及びカソードガス拡散層（第二ガス拡散層）３ｂから構成されるカソード４ｂと、を備えている。尚、本明細書では、高分子電解質膜１と第一膜補強部材１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂとからなる接合体を、「膜−膜補強部材接合体２０」という。又、本明細書では、膜−膜補強部材接合体２０とアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂとからなる接合体を、「膜−触媒層接合体３０」という。

先ず、高分子電解質膜１及び膜−膜補強部材接合体２０の構成について説明する。

図１８は、図１７に示すＰＥＦＣのセル１００ｂにおける高分子電解質膜１の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。又、図１９は、図１８に示す高分子電解質膜１に第一膜補強部材１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂが配置された状態（膜−膜補強部材接合体２０）の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。

図１８に示すように、高分子電解質膜１は、主面Ｆ１側から見て略四角形（ここでは、矩形）の形状を有している。そして、その高分子電解質膜１の縁部には、一対の第一凹部１ａ，１ａと、一対の第二凹部１ｂ，１ｂとが形成されている。具体的に説明すると、高分子電解質膜１の主面Ｆ１における対向する一組の辺Ｅ１，Ｅ１の全長に沿って、主面Ｆ１から高分子電解質膜１の厚み方向において所定の距離を隔てるようにして、各々短冊状の形状を有する一対の第一凹部１ａ，１ａが形成されている。又、高分子電解質膜１の主面Ｆ２における対向する一組の辺Ｅ２，Ｅ２の全長に沿って、主面Ｆ２から高分子電解質膜１の厚み方向において前記所定の距離よりも更に大きく隔てるようにして、各々短冊状の形状を有する一対の第二凹部１ｂ，１ｂが形成されている。一対の第一凹部１ａ，１ａと一対の第二凹部１ｂ，１ｂとは、高分子電解質膜１の厚み方向において互いに所定の距離ｄを隔てるようにして、高分子電解質膜１の縁部に各々形成されている。ここで、図２に示すように、本実施の形態では、一対の第一凹部１ａ，１ａが一対の第二凹部１ｂ，１ｂよりも主面Ｆ１に近く位置している。

そして、図１９に示すように、高分子電解質膜１に形成された第一凹部１ａ，１ａの各々には、短冊状の形状を有しかつ第一凹部１ａ，１ａと同一の形状を有する膜状の第一膜補強部材１０ａ，１０ａが、過不足なく一致するように埋設されている。換言すれば、第一膜補強部材１０ａ，１０ａが、その主面を露出しないようにして、高分子電解質膜１に埋め込まれている。又、高分子電解質膜１に形成された第二凹部１ｂ，１ｂの各々には、短冊状の形状を有しかつ第二凹部１ｂ，１ｂと同一の形状を有する膜状の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂが、過不足なく一致するように埋設されている。つまり、第一膜補強部材１０ａ，１０ａの場合と同様、第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂが、その主面を露出しないようにして、高分子電解質膜１に埋め込まれている。

ここで、図１９に示すように、一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａと一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂとは、全体として高分子電解質膜１の四辺に沿って延在し、かつ高分子電解質膜１の四隅の部分において各々の主面同士が接触しない状態（以下、このような状態を必要に応じて「井桁組状」という）で配置されている。より具体的には、一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａと一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂとは、高分子電解質膜１の四隅の部分において各々の主面同士が所定の距離ｄを隔てた状態となるようにして、各々配置されている。又、一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａは、主面Ｆ１における一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａと対応する第一部分と、主面Ｆ１における一対の第一膜補強部材１０ａ，１０ａの間に位置する部分と対応する第二部分とが実質的に同一平面上に位置するようにして、高分子電解質膜１に埋められている。同様にして、一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂは、主面Ｆ２における一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂと対応する第一部分と、主面Ｆ１における一対の第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの間に位置する部分と対応する第二部分とが実質的に同一平面上に位置するようにして、高分子電解質膜１に埋められている。

尚、第一凹部１ａ，１ａ及び第二凹部１ｂ，１ｂに配置される第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの厚み及び幅方向の寸法は、本発明の効果が得られる範囲であれば特に限定はされないが、本発明の効果をより確実に得る観点から、第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの厚み及び幅方向の寸法は、互いに等しいことが好ましい。

次に、膜−膜補強部材接合体２０の各構成要素について説明する。

高分子電解質膜１は、プロトン伝導性を有している。この高分子電解質膜１としては、例えば、陽イオン交換基としてのスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、又はスルホンイミド基を有するものが好ましい。ここで、好適なプロトン伝導性を確保する観点から、高分子電解質膜１は、スルホン酸基を有するものが特に好ましい。

又、高分子電解質膜１を構成するスルホン酸基を有する樹脂としては、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇの乾燥樹脂であることが好ましい。その理由は、高分子電解質膜１を構成する乾燥樹脂のイオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ以上であれば、発電時における高分子電解質膜１の抵抗値の上昇を十分に低減することができるからである。又、高分子電解質膜１を構成する乾燥樹脂のイオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ以下である場合には、高分子電解質膜１の含水率が増大せず、膨潤し難くなり、後述する触媒層２の細孔が閉塞する恐れを回避することができるからである。又、以上と同様の観点から、より望ましくは、高分子電解質膜１を構成する乾燥樹脂のイオン交換容量は、０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇであることが好ましい。

高分子電解質としては、化学式（５）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又は１を示し、Ｘはフッ素原子又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の各々を含む共重合体であることが好ましい。

ＣＦ₂＝ＣＦ−(ＯＣＦ₂ＣＦＸ)_m−Ｏ_p−(ＣＦ₂)_n−ＳＯ₃Ｈ ・・・（５）
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、化学式（６）〜（８）で表される化合物が挙げられる。但し、下記の化学式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。

ＣＦ₂＝ＣＦＯ（ＣＦ₂）_q−ＳＯ₃Ｈ ・・・（６）
ＣＦ₂＝ＣＦＯＣＦ₂ＣＦ（ＣＦ₃）Ｏ（ＣＦ₂）_r−ＳＯ₃Ｈ ・・・（７）
ＣＦ₂＝ＣＦ（ＯＣＦ₂ＣＦ（ＣＦ₃））_tＯ（ＣＦ₂）₂−ＳＯ₃Ｈ ・・・（８）
又、第一膜補強部材１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂの構成材料は、製造時にロールに巻回できかつその巻回を解いたときに元の形状に戻ることのできる柔軟性と可とう性とを有する合成樹脂であることが好ましい。

更に、上記の合成樹脂としての、第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂの各々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一以上の樹脂から構成される合成樹脂であることがより好ましい。

次に、膜−触媒層接合体３０の構成について説明する。

図２０（ａ）は、図１に示すＰＥＦＣのセル１００ｂにおける膜−触媒層接合体３０の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。又、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示す矢印ＸＸｂの方向から見た場合の模式図である。

図２０（ａ）に示すように、膜−触媒層接合体３０は、膜−膜補強部材接合体２０と触媒層２（アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ）とを備えている。アノード触媒層２ａは、高分子電解質膜１の主面Ｆ１側において、一方の第一膜補強部材１０ａの一部から他方の第一膜補強部材１０ａの一部に渡るように配置されている。又、図２０（ａ）では隠れているが、カソード触媒層２ｂは、高分子電解質膜１の主面Ｆ２側において、一方の第二膜補強部材１０ｂの一部から他方の第二膜補強部材１０ｂの一部に渡るように配置されている。そして、図２０（ｂ）に示すように、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、本実施の形態では、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成され、高分子電解質膜１の厚み方向（つまり、図２０（ａ）の矢印ＩＶｂの方向）から見て、各々の周縁部が全周に亘って第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂと重なりを有するように配置されている。

これにより、アノード触媒層２ａにおける主面の四辺の内、互いに対向する一組の辺Ｅ３，Ｅ３は、高分子電解質膜１の主面Ｆ１における第一膜補強部材１０ａ，１０ａにより補強された部分に当接するため、高分子電解質膜１は破損されない。同様にして、カソード触媒層２ｂにおける主面の四辺の内、互いに対向する一組の辺Ｅ４，Ｅ４は、高分子電解質膜１の主面Ｆ２における第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂにより補強された部分と当接するため、高分子電解質膜１は破損されない。

一方、アノード触媒層２ａにおける主面の四辺の内の互いに対向する辺Ｅ４，Ｅ４は、高分子電解質膜１の主面Ｆ１と直接当接するため、高分子電解質膜１が当該部分で破損する場合もある。しかしながら、このような場合であっても、高分子電解質膜１の主面Ｆ２側には、当該部分に第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂが配置されているので、反応ガスがクロスリークすることはない。又、同様にして、カソード触媒層２ｂにおける主面の四辺の内の互いに対向する辺Ｅ３，Ｅ３は、高分子電解質膜１の主面Ｆ２と直接当接するため、高分子電解質膜１が当該部分で破損する場合もある。しかしながら、このような場合であっても、高分子電解質膜１の主面Ｆ１側には、当該部分に第一膜補強部材１０ａ，１０ａが配置されているので、反応ガスがクロスリークすることはない。

触媒層２の構成としては、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池におけ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。例えば、電極触媒が担持された導電性炭素粒子（粉末）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ような構成であってもよく、又、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を更に含むような構成であってもよい。又、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。

又、触媒層２は、公知の高分子電解質形燃料電池におけるガス拡散電極の触媒層の製造方法を用いて形成してもよい。例えば、触媒層２の構成材料（例えば、上述した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）を調整し、これを用いて作成してもよい。

尚、高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜１を構成する材料と同種のものを使用してもよく、又、異なる種類のものを使用してもよい。又、電極触媒としては、金属粒子を用いることができる。当該金属粒子としては、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から、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、亜鉛及びスズからなる金属群より選択される少なくとも一以上の金属であることが好ましい。中でも、白金、又は白金と上記金属群より選択される少なくとも一以上の金属との合金が好ましい。例えば、白金とルテニウムとの合金が、アノード触媒層２ａにおいて触媒の活性が安定することから、特に好ましい。

又、電極触媒に用いる上記金属粒子は、平均粒径が１〜５ｎｍであることが好ましい。その理由は、平均粒径が１ｎｍ以上である電極触媒は、工業的に調製が容易であるため好ましい。又、平均粒径が５ｎｍ以下であると、電極触媒質量当たりの活性をより十分に確保し易くなるため、高分子電解質形燃料電池のコストダウンに貢献するため好ましい。

又、上記導電性炭素粒子は、その比表面積が５０〜１５００ｍ²／ｇであることが好ましい。その理由は、導電性炭素粒子の比表面積が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となり、その結果、得られた触媒層２の出力特性をより十分に確保することができるためである。又、導電性炭素粒子の比表面積が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、その結果、触媒層２の出力特性をより十分に確保することができるためである。上記と同様の観点から、より望ましくは、導電性炭素粒子の比表面積は２００〜９００ｍ²／ｇであることが好ましい。

又、上述し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。その理由は、導電性炭素粒子の平均粒径が０．１μｍ以上であると、触媒層２におけるガスの拡散性をより十分に確保し易くなり、その結果、フラッディングをより確実に防止することができるためである。又、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ので、十分な電極性能をより確保し易くなるためである。

次に、ＭＥＡ（膜−電極接合体）５の構成について説明する。

図２１（ａ）は、図１に示すＰＥＦＣのセル１００ｂにおけるＭＥＡ５の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。又、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示す矢印ＸＸＩｂの方向から見た場合の模式図である。

図２１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＥＡ５では、膜−触媒層接合体３０のアノード触媒層２ａの主面を覆うようにして、アノードガス拡散層３ａが設けられている。又、同様にして、このＭＥＡ５では、カソード触媒層２ｂの主面を覆うようにして、カソードガス拡散層３ｂが設けられている。ここで、アノード触媒層２ａとアノードガス拡散層３ａとから、アノード４ａが構成されている。又、カソード触媒層２ｂとカソードガス拡散層３ｂとから、カソード４ｂが構成されている。アノード４ａ及びカソード４ｂを併せて電極４という。尚、本実施の形態では、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂの主面は、それぞれ、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面と相似の矩形に形成され、かつ、それらよりも大きくなるように構成されているが、このような構成に限定されることはなく、それぞれの主面が同一の形状を有していてもよい。

アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂ（以下、ガス拡散層３という）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、公知の高分子電解質形燃料電池におけ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。又、ガス拡散層３の構成は、互いに同一であってもよく、或いは互いに異なっていてもよい。

ガス拡散層３としては、例えば、ガスの透過性を具備させるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー又はカーボンクロス等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。又、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化合物等をガス拡散層３の中に分散させてもよい。更に、十分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末等の電子伝導性材料でガス拡散層３を構成してもよい。

又、アノードガス拡散層３ａとアノード触媒層２ａとの間、及び、カソードガス拡散層３ｂとカソード触媒層２ｂとの間には、撥水性高分子化合物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、ＭＥＡ５における水の管理（即ち、ＭＥＡ５の良好な特性維持に必要となる水の保持、及び、不必要な水の迅速な排水）を、より容易にかつより確実に行うことができる。

次に、セル１００ｂの構成に関して、説明を省略した部分の構成について説明する。

図１７に示すように、ＭＥＡ５のアノード４ａ及びカソード４ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで、一対のフッ素ゴム製のガスケット１１，１１が配設されている。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスがセル１００ｂの外部にリークされることが防止されると共に、セル１００ｂの内部でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。尚、図１７では図示しないが、高分子電解質膜１、第一及び第二膜補強部材１０ａ，１０ｂ、及びガスケット１１の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等のマニホールド孔が適宜設けられている。

又、ＭＥＡ５とガスケット１１とを挟むようにして、導電性のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂとが配設されている。これらのアノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂは、黒鉛板にフェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板が用いられている。尚、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂとしては、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂとにより、ＭＥＡ５が機械的に固定されると共に、隣接するＭＥＡ５同士が互いに電気的に直列に接続される。

アノードセパレータ６ａの内面（ＭＥＡ５に当接する面）には、燃料ガスを流すための溝状の燃料ガス流路７が例えばサーペンタイン状に形成されている。一方、アノードセパレータ６ａの外面（ＭＥＡ５に当接しない面）には、熱媒体を流すための溝状の熱媒体流路９が例えばサーペンタイン状に形成されている。又、図１７では図示しないが、アノードセパレータ６ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等のマニホールド孔が設けられている。

一方、カソードセパレータ６ｂの内面（ＭＥＡ５に当接する面）には、酸化剤ガスを流すための溝状の酸化剤ガス流路８が例えばサーペンタイン状に形成されている。一方、カソードセパレータ６ｂの外面（ＭＥＡ５に当接しない面）には、アノードセパレータ６ａの場合と同様、熱媒体を流すための溝状の熱媒体流路９が例えばサーペンタイン状に形成されている。又、図１７では図示しないが、カソードセパレータ６ｂの周縁部には、アノードセパレータ６ａの場合と同様、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等のマニホールド孔が設けられている。

尚、本実施の形態では、燃料ガス流路７、酸化剤ガス流路８、及び、熱媒体流路９の各々はサーペンタイン状に形成されているが、これに限定されることはない。例えば、セパレータ６ａ，６ｂの主面の概ね全領域を反応ガス又は熱媒体が通流するような構成であれば、如何なる形状であってもよい。

このように形成したセル１００ｂをその厚み方向に積層することにより、セル１００ｂの積層体が形成される。この際、アノードセパレータ６ａ、カソードセパレータ６ｂ及びガスケット１１に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔等のマニホールド孔は、セル１００ｂを積層することにより厚み方向にそれぞれ連結され、これにより、燃料ガス供給マニホールド等のマニホールドがそれぞれ形成される。そして、セル１００ｂの積層体の両端に集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されている端板を配置し、所定の締結具により締結することで、スタック（ＰＥＦＣ）が形成される。

次に、本実施の形態に係るＰＥＦＣにおけるＭＥＡの製造方法について説明する。尚、以下に説明するようにして製造されたＭＥＡを用いて、セル及びスタック（ＰＥＦＣ）を製造する方法は、特に限定されず、公知のＰＥＦＣの製造技術を採用することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

先ず、膜−触媒層接合体３０の製造方法について説明する。

図２２は、膜−触媒層接合体を製造するための一連の工程（処理エリア）及び製造ラインの一部を概略的に示す模式図である。

図２２に示すように、図２０（ａ）に示した膜−触媒層接合体３０は、高分子電解質膜テープと膜補強部材テープとを接合して膜−膜補強部材接合体テープを形成する接合工程Ｐ１と、膜−膜補強部材接合体テープを乾燥する熱処理工程Ｐ２と、膜−膜補強部材接合体テープを熱圧着する熱圧着工程Ｐ３と、膜−膜補強部材接合体テープに触媒層を塗工する塗工工程Ｐ４と、膜−触媒層接合体テープを所定の長さに切断する裁断工程Ｐ５との各々の工程を経て製造される。これにより、図１７に示すＭＥＡ５を、低コストで、かつ、容易に大量生産することが可能となる。

先ず、接合工程Ｐ１について具体的に説明する。

図２３及び図２４は、膜−触媒層接合体３０の製造工程における接合工程Ｐ１を説明するための模式図である。

先ず、公知の薄膜製造技術を用い、長尺状の高分子電解質膜テープ４１ａ（切断後、図１７に示す高分子電解質膜１となる部材）を巻回した高分子電解質膜ロール４０と、膜補強部材テープ６１（切断後、図１に示す第一及び第二膜補強部材１０ａ及び１０ｂとなる部材）を巻回した膜補強部材ロール６０とを製造する。

次に、図２３に示すように、高分子電解質膜ロール４０から高分子電解質膜テープ４１ａを引き出すと共に、一対の膜補強部材ロール６０，６０の各々から一対の膜補強部材テープ６１，６１を各々引き出し、これらを一対のローラ８０，８１を有する熱圧着機（図２３では図示せず）の内部に誘導する。この際、一対の膜補強部材テープ６１，６１が高分子電解質膜テープ４１ａの両側端部に配置されるよう、高分子電解質膜テープ４１ａ及び一対の膜補強部材テープ６１，６１の相対的な位置決めを行う。そして、熱圧着機内で、高分子電解質膜テープ４１ａ及び一対の膜補強部材テープ６１，６１は、予熱されたローラ８０とローラ８１との間を進行方向Ｄ１側に進む過程において接合される。これにより、長尺状の膜−膜補強部材接合体テープ４２が形成される。

尚、高分子電解質膜テープ４１ａに接触させる前に、一対の膜補強部材テープ６１，６１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。この場合、上記のようにローラ８０，８１を予熱して加圧処理を行ってもよく、或いは、予熱を行わずに加圧処理のみ行ってもよい。又、この場合、接着剤としては、セル１００ｂの放電特性を低下させないものを用いることが好ましい。例えば、接着剤としては、高分子電解質膜テープ４１ａと同種又は異種（但し、高分子電解質膜テープ４１ａ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１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。

次に、図２４に示すように、膜−膜補強部材接合体テープ４２における、高分子電解質膜テープ４１ａ及び膜補強部材テープ６１，６１によって形成される溝状の凹部４３の上部と、一対の膜補強部材テープ６１，６１の上部とに、その幅寸法と高分子電解質膜テープ４１ａの幅寸法とが実質的に等しくかつその上面が同一平面を形成するようにして、ブレード４５を用いて、高分子電解質のキャスト膜４１ｂを形成する。具体的には、高分子電解質を水置換やアルコール分散等により液状にして、適宜な粘度に調整した高分子電解質溶液４４を凹部４３及び一対の膜補強部材テープ６１，６１に適量載置した後、ブレード４５の下端を膜−膜補強部材接合体テープ４２における膜補強部材テープ６１，６１の上方（膜補強部材テープ６１，６１から所定の距離を隔てた位置）に固定させる。そして、膜−膜補強部材接合体テープ４２を進行方向Ｄ１側に動かすことで、ブレード４５の下端と膜−膜補強部材接合体テープ４２との間に高分子電解質のキャスト膜４１ｂが所定の膜厚で形成される。

次に、熱処理工程Ｐ２について具体的に説明する。

熱処理工程Ｐ２では、接合工程Ｐ１で形成した高分子電解質膜のキャスト膜４１ｂに含まれる液体を適切な手段で熱処理（例えば、高分子電解質を分散した分散剤が気化する温度に調整された乾燥炉中に膜−膜補強部材接合体テープ４２を通過させることにより乾燥する）を行って除去することにより、高分子電解質膜テープ４１ｃが、膜−膜補強部材接合体テープ４２の凹部４３及び一対の膜補強部材テープ６１，６１の上部に形成される。ここで、上述したように、高分子電解質膜テープ４１ｃの表面は、膜−膜補強部材接合体テープ４２における一対の膜補強部材テープ６１，６１に対応する部分と凹部４３に対応する部分とが面一となるように形成される。

次に、熱圧着工程Ｐ３について具体的に説明する。

熱圧着工程Ｐ３では、熱処理工程Ｐ２で形成した高分子電解質膜テープ４１ｃと膜−膜補強部材接合体テープ４２とを完全に一体化するために熱圧着する。具体的には、膜−膜補強部材接合体テープ４２と高分子電解質膜テープ４１ｃとを一対のローラ８２，８３を有する熱圧着機（図６では図示せず）を通過させる。ここで、ローラ８２及びローラ８３は、高分子電解質膜テープ４１ａ及び高分子電解質膜テープ４１ｃを構成する高分子電解質のガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度となるように予熱されている。従って、熱圧着機内のローラ８２とローラ８３との間を進行方向Ｄ１側に進む過程において、膜−膜補強部材接合体テープ４２と高分子電解質膜テープ４１ｃとが、即ち、高分子電解質膜テープ４１ａ及び一対の膜補強部材テープ６１，６１と高分子電解質膜テープ４１ｃとが接合されて完全に一体化される。これにより、長尺状の膜−膜補強部材接合体テープ４６が形成される。

ところで、膜−膜補強部材接合体テープ４６は、以下のように形成してもよい。

図２５は、膜−膜補強部材接合体テープを形成する他の製造方法を示した模式図である。

先ず、図２５に示すように、公知の薄膜製造技術を用いて、長尺状の高分子電解質膜テープ４１ｄ及び４１ｅを巻回した高分子電解質膜ロール４０ｃ及び４０ｂを製造する。この際、高分子電解質膜テープ４１ｄの幅寸法を、膜−膜補強部材接合体テープ４２の凹部４３の幅寸法と同じになるように形成する。又、高分子電解質膜テープ４１ｅの幅寸法を、膜−膜補強部材接合体テープ４２の幅寸法と同じになるように形成する。

次に、図２５に示すように、高分子電解質膜ロール４０ｃから高分子電解質膜テープ４１ｄを引き出し、膜−膜補強部材接合体テープ４２の凹部４３に、その高分子電解質膜テープ４１ｄを嵌合させる。又、その後、高分子電解質膜ロール４０ｄから高分子電解質膜テープ４１ｅを引き出し、膜−膜補強部材接合体テープ４２の膜補強部材テープ６１，６１及び高分子電解質膜テープ４１ｄの上部に、その引き出した高分子電解質膜テープ４１ｅを配置する。そして、図２５では図示されない熱圧着機内に膜−膜補強部材接合体テープ４２と高分子電解質膜テープ４１ｅ，４１ｄとを誘導する。これにより、熱圧着機内で、膜−膜補強部材接合体テープ４２の高分子電解質膜テープ４１ａと高分子電解質膜テープ４１ｄとが接合され完全に一体化される。又、熱圧着機内で、膜−膜補強部材接合体テープ４２の膜補強部材テープ６１，６１及び高分子電解質膜テープ４１ｄと高分子電解質膜テープ４１ｅとが接合され完全に一体化される。従って、長尺状の膜−膜補強部材接合体テープ４６が形成される。

尚、本実施の形態において、膜−膜補強部材接合体テープ４６は、実施の形態１で示したように、ロールナイフコーター（コンマコーター）を利用して形成してもよい（図１０及び図１１参照）。この場合、先ず、基材シート８４の表面に高分子電解質溶液４４を塗布し、これを所定の乾燥方法により硬化させて、その基材シート８４の表面に高分子電解質テープ４１ｅを形成する。そして、この基材シート８４上に形成された高分子電解質テープ４１ｅ上の両側端部に一対の膜補強部材テープ６１，６１が貼付された基材−膜補強部材接合体テープ８６を作製することにより、実施の形態１の場合と同様にして、基材−高分子電解質膜テープ８７を作成する。その後、この基材−高分子電解質膜テープ８７から基材シート８４を適宜な手段により剥がして、膜−膜補強部材接合体テープ４６が形成される。

次に、塗工工程Ｐ４について具体的に説明する。

図２６は、膜−触媒層接合体の製造工程における塗工工程Ｐ４を説明するための模式図である。

先ず、塗工工程Ｐ４が行われるエリアの構成について説明する。

図２６に示すように、塗工工程Ｐ４が行われるエリアには、開口部４８を有するマスク４７と、膜−膜補強部材接合体テープ４６の一対の膜補強部材テープ６１，６１が配置されている側の主面（以下、「裏面」という）から膜−膜補強部材接合体テープ４６を支える図２６では図示されない所定の支持手段（例えば、支持台）と、触媒層形成装置４９（図２２参照）とが配置されている。ここで、開口部４８の形状は、図２０（ａ）及び（ｂ）に示した触媒層２の主面の形状に対応するように設計されている。又、触媒層形成装置４９には、触媒層形成用インクを塗工又はスプレーする等して膜−膜補強部材接合体テープ４６の表面に触媒層２を形成するための機構が備えられている。尚、この機構としては、公知である高分子電解質形燃料電池のガス拡散電極の触媒層を形成するために採用されている機構、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、スクリーン印刷法当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、塗工工程Ｐ４における処理内容について説明する。

先ず、熱圧着工程Ｐ３で形成された膜−膜補強部材接合体テープ４６が塗工工程Ｐ４エリアにまで進むと、例えば反転機構により反転された後、一旦停止される。そして、膜−膜補強部材接合体テープ４６が、マスク４７と図２６では図示されない支持台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４９が作動され、マスク４７の開口部４８の上方から触媒層形成用インクが塗工されることにより、膜−膜補強部材接合体テープ４６における高分子電解質膜テープ４１ａの主面に、一対の膜補強部材テープ６１，６１の主面における少なくとも一部と重なりを有するようにして、触媒層２が形成される。触媒層２が形成されると、膜−膜補強部材接合体テープ４６からマスク４７及び支持台が離間する。このようにして形成された膜−触媒層接合体テープ５０は、進行方向Ｄ１に沿って順次移動する。これにより、膜−触媒層接合体テープ５０には、触媒層２が、その長手方向に所定のピッチで形成される。

尚、触媒層２は、適度な柔軟性を有するように、その成分組成、及び乾燥の度合い等が適切に調節されている。又、触媒層２を形成する際には、膜−触媒層接合体テープ５０の裏表が反対になった場合でも高分子電解質膜テープ４１ａから触媒層２が剥がれ落ちないようにするための処置（例えば、予め支持台を加熱して、触媒層形成用のインクの分散剤を乾燥処理する）が施される。尚、触媒層２を形成する度に、例えば加熱処理、送風処理及び脱気処理の内の少なくとも一つの処理に代表される所定の乾燥処理を適宜行ってもよい。

次に、裁断工程Ｐ５について具体的に説明する。

先ず、一方の膜−触媒層接合体テープ５０と、他方の膜−触媒層接合体テープ５０とを準備する。その後、それぞれの長手方向が実質的に垂直となるように、かつ、互いに裏面が対向するように（一方の膜補強部材テープ６１，６１と他方の膜補強部材テープ６１，６１とが向かい合うように）配置する。そして、一組の膜−触媒層接合体テープ５０，５０の裏面が互いに重なるようにして、熱圧着機構と裁断機構とを有する裁断機５１の内部に誘導する。すると、裁断機５１の内部に誘導された一方の膜−触媒層接合体テープ５０の裏面と、他方の膜−触媒層接合体テープ５０の裏面とが、対向する高分子電解質膜テープ４１ｃを介して、熱圧着機構により熱圧着される。次いで、裁断機５１の裁断機構により、予め設定された所定の大きさに裁断されて、図２０（ａ）及び（ｂ）に示す膜−触媒層接合体３０が得られる。尚、膜−触媒層接合体テープ５０を予め設定された大きさに裁断し、裁断した一組の膜−触媒層接合体テープ５０を接合することにより、膜−触媒層接合体３０を形成してもよい。

尚、図２２に示す本実施の形態に係る膜−触媒層接合体の製造ラインでは、高分子電解質膜テープ４１ａが、膜−触媒層接合体テープ５０が形成されるまで、連続するテープ状の形態で移動される。このように、高分子電解質膜テープ４１ａを進行方向Ｄ１に適切に移動させるために、本実施の形態では、当該テープを牽引するキャプスタンやローラ対等の牽引機構、当該テープに適度な張力を付与するテンショナー等の張力付与機構、及び、当該テープを所定エリア（例えば、塗工工程Ｐ４）に一時停止させ、かつ、その後早送りするためのダンサーローラ等のシート一時蓄積機構及びシート送り機構等が、この膜−触媒層接合体の製造ラインの適所に設けられている。しかしながら、これらの各々の機構は周知であるので、ここでは、それらの記載を省略する。

又、裁断工程（エリア）Ｐ５においては、一方の膜−触媒層接合体の製造ラインと他方の膜−触媒層接合体の製造ラインとが交差している。そして、裁断工程Ｐ５において、この他方の膜−触媒層接合体の製造ラインで製造された他方の膜−触媒層接合体テープ５０が反転されて図２２に示す一方の膜−触媒層接合体の製造ラインで製造された一方の膜−触媒層接合体シート５０と直交するように配置されて、上述の如く加工される。この他方の膜−触媒層接合体の製造ラインは、図２２〜図２６に示す膜−触媒層接合体の製造ラインと全く同じである。そのため、ここではその説明を省略する。

次に、ＭＥＡ５の製造方法について具体的に説明する。

上述のようにして得られた膜−触媒層接合体３０における触媒層２の主面に、予め適切な大きさに裁断したガス拡散層３（例えば、カーボンクロス等）を接合することにより、ＭＥＡ５が得られる。尚、撥水カーボン層形成インクを予め触媒層２又はガス拡散層３の主面に塗工等して、撥水カーボン層を形成することにより、ＭＥＡ５を形成してもよい。

又、裁断工程Ｐ５の前に、膜−触媒層接合体テープ５０の触媒層２の主面にガス拡散層３を接合して、ＭＥＡ５を形成してもよい。この場合、予め裁断されたガス拡散層３を触媒層２の主面に接合して膜−電極接合体テープを形成してもよく、又、テープ状のガス拡散層を触媒層２の主面に接合し、裁断して膜−電極接合体テープを形成してもよい。そして、得られた一組の膜−電極接合体テープを上述した裁断工程Ｐ５の場合と同様の方法で接合及び裁断することで、ＭＥＡ５が形成される。尚、撥水カーボン層形成インクを予め触媒層２又はガス拡散層３の主面に塗工等することにより、撥水カーボン層を形成してから、ＭＥＡ５を形成してもよい。

ここで、比較例として、特許文献２に開示された膜−膜補強部材接合体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方法について説明する。

図２７は、公知の薄膜積層体の製造技術を用いて膜−膜補強部材接合体を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方法の一例を示す説明図である。

先ず、図２７に示すように、予め製造されたテープ状の固体高分子電解質膜２６０を巻回して固体高分子電解質膜ロール２６２とし、その一方で、予め製造されたテープ状の保護膜２５０（図３２に示した保護膜２２０を連続的に形成したテープ状のもの）を巻回して保護膜ロール２５２とする。

次に、上述した本実施の形態に係る接合工程Ｐ１と同様にして、テープ状の固体高分子電解質膜２６０における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。具体的には、固体高分子電解質膜ロール２６２及び保護膜ロール２５２からテープ状の保護膜２５０及びテープ状の固体高分子電解質膜２６０を引き出し、一対のローラ２９０，２９０の間に挟んで一体化して積層体とする。そして、この一体化された積層体を巻回して、膜−保護膜接合体ロール２８０とする。

この膜−保護膜接合体ロール２８０を製造する際、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。この場合、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と保護膜ロール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の部分にシワが発生する可能性が高くなる。又、ローラ２９０と膜−保護膜接合体ロール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。

このため、特許文献２に開示された固体高分子電解質型燃料電池の製造方法としては、不良品を発生させることなく良品を確実に製造する観点から、バッチ式の製造方法により固体高分子電解質膜に保護膜を一つ一つ位置決めして貼り付けるという、非常に手間のかかる複雑かつ高コストな製造方法を採用せざるを得ない。

一方、本発明の実施の形態３では、図２７に示した保護膜２５０におけるＲ２００の部分、即ち、張力がかかる方向と略垂直となる部分であって、張力がかかると浮き上がり易い部分が存在しない。そのため、本実施の形態によれば、高分子電解質膜テープ４１ａに膜補強部材テープ６１，６１を接合する際に、膜補強部材テープ６１，６１の位置ずれや剥がれを確実に防止することができる。

このように、本発明の実施の形態３に係るＰＥＦＣの構成によれば、高分子電解質膜の破損及び反応ガスのクロスリークの発生等を確実に防止することが可能となり、かつ、安価に大量生産することが可能となる。又、実施の形態１，２の場合と同様にして、補強されたＭＥＡを容易に製造することが可能になると共に、薄型のＰＥＦＣを安価に提供することが可能になる。

（実施の形態４）
図２８は、本発明の実施の形態４に係るＰＥＦＣが備えるセルの概略的な構成を示す断面図である。又、図２９は、図２８に示すＰＥＦＣのセルにおける高分子電解質膜−内部補強膜複合体の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。

本発明の実施の形態４に係るＰＥＦＣのセルは、実施の形態３に係るＰＥＦＣのセル１００ｂと比べて基本的な構成は同じであるが、以下の点で異なる。

図２８及び図２９に示すように、本実施の形態に係るＰＥＦＣのセルは、高分子電解質膜１に代えて、高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５を備えている。尚、特許請求の範囲における「高分子電解質膜」には、この高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５も含まれる。そして、この高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５は、一対の小片状の高分子電解質膜１５ａ，１５ｂと、小片状の内部補強膜１５ｃとを有している。ここで、高分子電解質膜１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、互いに主面が対向するように配置されている。又、図２９に示すように、高分子電解質膜１５ａ，１５ｂには、互いに対向する一組の辺に、その辺に沿って延びるように凹部が形成されており、これらの凹部は、その厚み方向（法線方向）から見た場合に井桁組状が観察されるように形成されている。そして、それらの凹部の各々に、第一膜補強部材１０ａ，１０ａ及び第二膜補強部材１０ｂ，１０ｂが配置される。又、本実施の形態では、高分子電解質膜１５ａ，１５ｂの間に、内部補強膜１５が挟み込まれている。

次に、内部補強膜１５ｃの構成について、図３０を用いて更に詳細に説明する。

図３０は、図２９に示す高分子電解質膜−内部補強膜複合体における内部補強膜の概略的な構成を示す模式図である。尚、図３０では、内部補強膜の一部のみを図示している。

図３０に示すように、内部補強膜１５ｃは、その厚み方向に貫通する複数の開口（貫通孔）１６を有している。そして、この開口１６には、高分子電解質膜１５ａ，１５ｂと同じ成分又は異なる成分の高分子電解質が充填されている。ここで、内部補強膜１５ｃの主面の面積に対する開口１６の面積の割合（開口度）は、５０％〜９０％であることが好ましい。このように、開口度を５０％以上とすることにより、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％以下とすることにより、内部補強膜１５ｃの十分な機械的強度を容易に得ることができる。尚、内部補強膜１５ｃが備える開口１６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。

内部補強膜１５ｃとしては、樹脂性のフィルムであってもよく、又、延伸加工された多孔質フィルム（例えば、ジャパンゴアテックス社製「ゴアセレクト（Ｒ）」）であってもよい。

上述の内部補強膜１５ｃを構成する樹脂としては、化学的安定性及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、及び、ポリイミドアミドからなる樹脂群より選択される少なくとも一以上の合成樹脂であることが好ましい。

又、内部補強膜１５ｃの構成としては、板状の高分子電解質膜の内部に、繊維状の補強体粒子及び球状の補強体粒子の少なくとも一方を含有させることにより、高分子電解質膜の強度を補強する構成としてもよい。尚、補強体粒子の構成材料としては、例えば、内部補強膜１５ｃを構成する樹脂が挙げられる。

又、高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５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。そして、ＰＥＦＣのセルは、この高分子電解質膜−内部補強膜複合体１５を用いること以外は、上述したセルと同様の方法により製造することができる。

以上、本発明の実施の形態３，４について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、本発明の実施の形態３，４では、第一膜補強部材又は第二膜補強部材の外側の周縁部（エッジ）が、高分子電解質膜の周縁部（エッジ）と一致している態様（つまり、高分子電解質膜の主面の略法線方向から見た場合に、第一膜補強部材又は第二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、本発明はこのような態様に限定されるものではない。例えば、本発明の効果を得られる範囲において、第一膜補強部材又は第二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ている構成を有していてもよく、それとは反対に、高分子電解質膜のエッジが第一膜補強部材又は第二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ている構成を有していてもよい。

又、本発明の実施の形態３，４では、高分子電解質膜１，１５ａ，１５ｂ、内部補強膜１５ｃは、各々略四角形であればよい。即ち、本発明の実施の形態３，４では、高分子電解質膜及び内部補強膜の各々における四つの内角が９０度でなくてもよく、又、四つの辺が多少湾曲していてもよく、或いは、四つの角が面取りされていてもよい。

本発明の膜−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産業上有用である。

又、本発明の高分子電解質形燃料電池は、自動車等の移動体、分散型（オンサイト型）発電システム（家庭用コージェネレーションシステム）等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。

本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池が備える単電池の概略的な構成を模式的に示す断面図である。 図１に示す高分子電解質形燃料電池の単電池における高分子電解質膜の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図２に示す高分子電解質膜に膜補強部材が配置された状態（膜−膜補強部材接合体）の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図１に示す高分子電解質形燃料電池の単電池における膜−触媒層接合体の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図４（ａ）に示す矢印ＩＶｂの方向から見た場合の模式図である。 図１に示す高分子電解質形燃料電池の単電池におけるＭＥＡの概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図５（ａ）に示す矢印Ｖｂの方向から見た場合の模式図である。 膜−触媒層接合体を製造するための一連の工程及び製造ラインの一部を概略的に示す模式図である。 膜−触媒層接合体の製造工程における接合工程Ｐ１を説明するための模式図である。 膜−触媒層接合体の製造工程における接合工程Ｐ１を説明するための模式図である。 膜−触媒層接合体テープを形成する他の製造方法を説明するための模式図である。 膜−膜補強部材接合体シートを形成する他の製造方法（ロールナイフコーター（コンマコーター）を用いた製造方法）を示した模式図である。 図１０に示すロールナイフコーターの要部を拡大した模式図である。 膜−触媒層接合体の製造工程における塗工工程Ｐ４を説明するための模式図である。 公知の薄膜積層体の製造技術を用いて膜−膜補強部材接合体を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方法の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池が備える単電池の概略的な構成を示す断面図である。 図１４に示す高分子電解質形燃料電池の単電池における高分子電解質膜−内部補強膜複合体の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図１５に示す高分子電解質膜−内部補強膜複合体における内部補強膜の概略的な構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池が備えるセルの概略的な構成を模式的に示す断面図である。 図１７に示す高分子電解質形燃料電池のセルにおける高分子電解質膜の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図１８に示す高分子電解質膜に膜補強部材が配置された状態（膜−膜補強部材接合体）の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図１７に示す高分子電解質形燃料電池のセルにおける膜−触媒層接合体の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図２０（ａ）に示す矢印ＸＸｂの方向から見た場合の模式図である。 図１７に示す高分子電解質形燃料電池のセルにおけるＭＥＡの概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図２１（ａ）に示す矢印ＸＸＩｂの方向から見た場合の模式図である。 膜−触媒層接合体を製造するための一連の工程及び製造ラインの一部を概略的に示す模式図である。 膜−触媒層接合体の製造工程における接合工程Ｐ１を説明するための模式図である。 膜−触媒層接合体の製造工程における接合工程Ｐ１を説明するための模式図である。 膜−触媒層接合体テープを形成する他の製造方法を説明するための模式図である。 膜−触媒層接合体の製造工程における塗工工程Ｐ４を説明するための模式図である。 公知の薄膜積層体の製造技術を用いて膜−膜補強部材接合体を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方法の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態４に係るＰＥＦＣが備えるセルの概略的な構成を模式的に示す断面図である。 図２８に示すＰＥＦＣのセルにおける高分子電解質膜−内部補強膜複合体の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 図２９に示す高分子電解質膜−内部補強膜複合体における内部補強膜の概略的な構成を示す模式図である。 特許文献１に開示されている膜−電極接合体の製造工程（触媒層塗布工程及び拡散層一体化工程）の概要を模式的に示す工程図である。 特許文献２に開示されている固体高分子電解質型燃料電池積層体における単電池の構造を模式的に示す断面図である。

１ 高分子電解質膜
１ａ 第一凹部
１ｂ 第二凹部
２ 触媒層
２ａ アノード触媒層
２ｂ カソード触媒層
３ ガス拡散層
３ａ アノードガス拡散層
３ｂ カソードガス拡散層
４ 電極
４ａ アノード
４ｂ カソード
５ ＭＥＡ（膜−電極接合体）
６ａ アノードセパレータ
６ｂ カソードセパレータ
７ 燃料ガス流路
８ 酸化剤ガス流路
９ 熱媒体流路
１０ａ 第一膜補強部材
１０ｂ 第二膜補強部材
１１ ガスケット
１５ 高分子電解質膜−内部補強膜複合体
１５ａ 高分子電解質膜
１５ｂ 高分子電解質膜
１５ｃ 内部補強膜
１６ 開口
２０ 膜−膜補強部材接合体
３０ 膜−触媒層接合体
４０ 高分子電解質膜ロール
４０ｂ 高分子電解質膜ロール
４０ｃ 高分子電解質膜ロール
４１ａ 高分子電解質膜テープ
４１ｂ キャスト膜
４１ｃ 高分子電解質膜テープ
４１ｄ 高分子電解質膜テープ
４１ｅ 高分子電解質膜テープ
４２ 膜−膜補強部材接合体テープ
４３ 凹部
４４ 高分子電解質溶液
４５ ブレード
４６ 膜−膜補強部材接合体テープ
４７ マスク
４８ 開口部
４９ 触媒層形成装置
５０ 膜−触媒層接合体テープ
５１ 裁断機
６０ 膜補強部材ロール
６１ 膜補強部材テープ
８０，８１ ローラ
８２，８３ ローラ
８４ 基材シート
８５ 基材−膜補強部材ロール
８６ 基材−膜補強部材接合体テープ
８７ 基材−高分子電解質膜テープ
９２ 回転ロール
９３ アプリケータロール
９４ 液ダム部
９５ ロールナイフコーター
９６ ロールナイフ
９６ａ 振れ刃部
９７ 切欠部
９７ａ 側面
１００ａ，１００ｂ セル
２１０ 固体高分子電解質膜
２１２ ガスケット
２１３ 電極
２１４ 隙間部分
２２０ 保護膜
２２２ 開口部
２５０ 保護膜
２５２ 保護膜ロール
２６０ 固体高分子電解質膜
２６２ 固体高分子電解質膜ロール
２８０ 膜−保護膜接合体ロール
２９０ ローラ
３１０ 触媒層塗布工程
３２０ 拡散層一体化工程
３３０ 高分子電解質膜
３３１ 触媒層
３３２ 触媒層−高分子電解質膜接合体
３３３ 拡散層
３８０ ホットロール
３９０ ホットロール
Ｄ１，Ｄ１０ 進行方向
Ｅ１， Ｅ２ 辺
Ｅ３， Ｅ４ 辺
Ｆ１，Ｆ２ 主面
Ｐ１ 接合工程
Ｐ２ 熱処理工程
Ｐ３ 熱圧着工程
Ｐ４ 塗工工程
Ｐ５ 裁断工程
Ｒ２００ 部分
ｄ 距離

Claims (11)

1. 略四角形の形状を有しかつ第一主面及び第二主面を有する高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜の四辺の内の互いに対向する一方の組の辺に沿って延び、かつ、その主面が露出しないように前記高分子電解質膜に埋められた一対の膜状の第一膜補強部材と、
   前記高分子電解質膜の四辺の内の互いに対向する他方の組の辺に沿って延び、かつ、その主面が露出しないように前記高分子電解質膜に埋められた一対の膜状の第二膜補強部材と、を備え、
   前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、該一対の第一膜補強部材が該一対の第二膜補強部材よりも前記第一主面に近く位置し、かつ、前記高分子電解質膜の四隅の部分において該高分子電解質膜の厚み方向から見て重なるように埋められている、膜−膜補強部材接合体。
2. 前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の四隅の部分において各々の主面同士が接触するように埋められている、請求項１記載の膜−膜補強部材接合体。
3. 前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の四隅の部分において各々の主面同士が接触しないように埋められている、請求項１記載の膜−膜補強部材接合体。
4. 前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の四隅の部分において、前記高分子電解質膜を挟むようにして、各々の主面同士が接触しないように埋められている、請求項３記載の膜−膜補強部材接合体。
5. 前記一対の第一膜補強部材は前記第一主面における該一対の第一膜補強部材に対向する第一部分とその他の第二部分とが実質的に同一平面上に位置するように前記高分子電解質膜に埋められており、
   前記一対の第二膜補強部材は前記第二主面における該一対の第二膜補強部材に対向する第一部分とその他の第二部分とが実質的に同一平面上に位置するように前記高分子電解質膜に埋められている、請求項１記載の膜−膜補強部材接合体。
6. 前記高分子電解質膜は、その内部に、イオン伝導パスとなる貫通孔を有する内部補強膜を有している、請求項１記載の膜−膜補強部材接合体。
7. 前記一対の第一膜補強部材と前記一対の第二膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の四隅の部分において、前記内部補強膜を挟むように埋められている、請求項６記載の膜−膜補強部材接合体。
8. 請求項１記載の膜−膜補強部材接合体と、
   前記高分子電解質膜の第一主面を覆うように配置された第一触媒層と、
   前記高分子電解質膜の第二主面を覆うように配置された第二触媒層と、を備え、
   前記第一触媒層は前記一対の第一膜補強部材の主面の一部と前記高分子電解質膜における該一対の第一膜補強部材の間に位置する部分とに該高分子電解質膜の厚み方向から見て重なりを有するように配置されており、
   前記第二触媒層は前記一対の第二膜補強部材の主面の一部と前記高分子電解質膜における該一対の第二膜補強部材の間に位置する部分とに該高分子電解質膜の厚み方向から見て重なりを有するように配置されている、膜−触媒層接合体。
9. 前記第一触媒層及び前記第二触媒層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て各々の周縁部が全周に亘って前記第一膜補強部材及び前記第二膜補強部材と重なるように配置されている、請求項８記載の膜−触媒層接合体。
10. 請求項８記載の膜−触媒層接合体と、
    前記膜−触媒層接合体の前記第一触媒層を覆うように配置された第一ガス拡散層と、
    前記膜−触媒層接合体の前記第二触媒層を覆うように配置された第二ガス拡散層と、を備えている、膜−電極接合体。
11. 請求項１０記載の膜−電極接合体を備えている、高分子電解質形燃料電池。

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