(57)【要約】      （修正有）【課題】膜−電極接合体の効率の良い製造方法の提供。【解決手段】四辺形の高分子電解質膜２の周縁部を除いて該膜を挟むように設けられた一対の触媒層の上に設けられた一対のガス拡散層３とを有し、ガス拡散層当接領域に反応ガスの流路Ａ，Ｃが凹設された一対のセパレータに挟まれて燃料電池に組み込まれる膜−電極接合体１において、ガス拡散層当接領域における反応ガスの流路Ａ，Ｃが、上流から下流に向かって、高分子電解質膜１の第１辺２ａに沿った方向において反転しながら第１辺に隣接する第２辺２ｂに沿って第１辺から該第１辺に対向する第３辺２ｃに向かう方向に延びるサーペンタイン状に形成され、高分子電解質膜２の周縁部の第２辺と該第２辺に対向する第４辺２ｄとに対応する部分に高分子電解質膜を補強する補強部４が形成され、少なくとも高分子電解質膜２の周縁部の第３辺２ｃに対応する部分には補強部４が形成されていない。【選択図】図１
2008235283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四辺形の高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対の触媒層と該一対の触媒層の上にそれぞれ設けられた一対の導電性のガス拡散層とを有する膜−電極接合体の製造方法において、
所定の幅を有する長尺の膜状の芯材を準備する工程と、
前記芯材に、該芯材を厚み方向に貫通する貫通孔が形成された通孔形成領域と、前記貫通孔が実質的に形成されていない通孔非形成領域とを、該通孔非形成領域が前記芯材の両縁に沿って一対の帯状に延在しかつ前記通孔形成領域が残りの部分に存在するように形成する工程と、
前記通孔非形成領域及び通孔形成領域が形成された芯材の両面に前記貫通孔を埋めるように高分子電解質層を形成して前記一対の通孔非形成領域上に高分子電解質層が形成されてなる一対の高強度部を有する長尺の高分子電解質膜を作成する工程と、
前記長尺の高分子電解質膜を所定の長さに切断して膜片状の高分子電解質膜を作成する工程と、
前記膜片状の高分子電解質膜の両面に、前記一対の高強度部の間に少なくとも一部が位置するように前記一対の触媒層及びガス拡散層を形成する工程と、を有する、膜−電極接合体の製造方法。
【請求項２】
四辺形の高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対の触媒層と該一対の触媒層の上にそれぞれ設けられた一対の導電性のガス拡散層とを有する膜−電極接合体の製造方法において、
所定の幅を有する長尺の膜状の芯材を準備する工程Ａと、
前記芯材に、該芯材を厚み方向に貫通する貫通孔が形成された通孔形成領域と、前記貫通孔が実質的に形成されていない通孔非形成領域とを、該通孔非形成領域が前記芯材の幅方向に帯状に延びるようにして前記芯材の長さ方向に所定のピッチで複数存在しかつ前記通孔形成領域が残りの部分に存在するように形成する工程Ｂと、
前記通孔非形成領域及び通孔形成領域が形成された芯材の両面に前記貫通孔を埋めるように高分子電解質層を形成して前記複数の通孔非形成領域上に高分子電解質層が形成されてなる複数の高強度部を有する長尺の高分子電解質膜を作成する工程Ｃと、
前記長尺の高分子電解質膜を前記複数の高強度部において切断して、前記所定のピッチに相当する長さを有しかつ前記切断により形成された一対の辺に一対の前記高強度部を有する膜片状の高分子電解質膜を作成する工程Ｄと、
前記膜片状の高分子電解質膜の両面に、前記一対の高強度部の間に少なくとも一部が位置するように前記一対の触媒層及びガス拡散層を形成する工程Ｅと、を有する、膜−電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記工程Ｃと前記工程Ｄの間に、前記高分子電解質膜の少なくとも片側の縁に沿ってテープ状の補強部材を配設する工程Ｆを有し、
前記工程Ｄにおいて、前記長尺の高分子電解質膜を前記複数の高強度部において切断し、それにより、前記所定のピッチに相当する長さを有しかつ前記切断により形成された一対の辺に一対の前記高強度部を有するとともに前記一対の辺の間の辺に沿って配設され両端が切断された前記補強部材を有する膜片状の高分子電解質膜を作成し、
前記工程Ｅにおいて、前記膜片状の高分子電解質膜の両面に、前記一対の高強度部及び補強部材の間に少なくとも一部が位置するように前記一対の触媒層及びガス拡散層を形成する、請求項９に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極接合体及びその製造方法並びにその膜−電極接合体を組み込んだ燃料電池に関し、特に高分子電解質膜の周縁部の補強構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は多数のセルが積層されて構成されており、各セルは膜−電極接合体（ＭＥＡ：membrane-electrode assembly）がその周縁部に配設されたガスケットとともに一対の導電性のセパレータで挟まれるようにして構成されている。膜−電極接合体は高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対の電極とを有している。各電極は、高分子電解質膜上に形成された触媒層とこの触媒層の上に設けられたガス拡散層とで構成されている。各セパレータの内面には膜−電極接合体のガス拡散層に当接する領域（以下、ガス拡散層当接領域）に反応ガスの流路が凹設されている。そして、一方のセパレータの反応ガスの流路に、反応ガスとして燃料ガスが供給され、他方のセパレータの反応ガスの流路に、反応ガスとして酸化剤ガスが供給され、各電極においてそれぞれ化学反応する。それにより、熱とともに電気が発生する。
【０００３】
ところで、この従来の燃料電池では、高分子電解質膜の電極の周辺部分が劣化することが知られており、その対策として、高分子電解質膜の周縁部を補強することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−３０８２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の燃料電池では、実際に膜−電極接合体を効率良く製造することが困難であった。すなわち、特許文献１の燃料電池では、高分子電解質膜の周縁部を全周に渡って補強しているため、高分子電解質膜を原反の状態で連続的に補強加工することができず、膜−電極接合体に用いる膜片（以下、高分子電解質膜片）に切断した後、その高分子電解質膜片に対して個々に補強加工を施していた。このため、膜−電極接合体を効率良く生産することができなかった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、効率良く製造することが可能な膜−電極接合体及びその製造方法並びにその燃料電池を組み込んだ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】
【０００６】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討した。その結果、以下のような知見が得られた。
【０００７】
図９は、検討に使用した燃料電池における膜−電極接合体の厚み方向から見た膜−電極接合体とセパレータの反応ガス流路及び冷却水流路との位置関係を示す模式図である。図９において、各流路２０２〜２０４は、１本の線で表されているが、実際には複数本の流路で構成されている。
【０００８】
図９に示すように、反応ガス流路２０２，２０３及び冷却水流路２０４は、膜−電極接合体２００の厚み方向から見てガス拡散層３の内側に位置する領域においては、フラッディング防止及高分子電解質膜乾燥防止の観点から互いに平行な（正確には反転部の間の流路が互いに平行な）サーペンタイン状に形成されている。この燃料電池では、膜−電極接合体２００を構成する高分子電解質膜２０１の平面形状（正確にはセルスタックの断面）が直角四辺形に形成されており、この燃料電池は高分子電解質膜２０１の各対向する２辺がそれぞれ鉛直方向及び水平方向を向くように設置される。そして、各流路２０２〜２０４は、高分子電解質膜の上辺２０１ａに沿った方向において反転しながら右辺２０１ｂ（左辺２０１ｄ）に沿って上辺２０１ａから下辺２０１ｃに向かう方向に延びるサーペンタイン状に形成されている。従って、反応ガス及び冷却水は各セルにおいて左右方向に蛇行しながら上から下へと流れる。従って、アノードガスの流れとカソードガスの流れとの関係はいわゆる平行流となっている。また、高分子電解質膜２０１の周縁部は補強されていない。
【０００９】
このような燃料電池において、耐久試験（所定条件下で連続発電運転）を行った後、膜−電極接合体２０１の主面におけるガス（正確には水素）のリーク量（以下、ガスリーク量）の分布を測定したところ図１０に示すようなデータが得られた。図１０は検討した燃料電池の膜−電極接合体２０１の主面におけるガスリーク量の分布を示すグラフである。
【００１０】
図１０及び図９を参照すると、ガスリーク量は高分子電解質膜２０１の周縁部において多く、特に右辺２０１ｂ及び左辺２０１ｄに対応する部分において多い。一方、下辺２０１ｃに対応する部分では少なく、上辺２０１ａに対応する部分ではやや多い。ガスリーク量は高分子電解質膜の劣化に応じて増加するので、このガスリーク量の分布は、高分子電解質膜の劣化の分布を表していると考えられる。
【００１１】
高分子電解質膜２０１の周縁部の右辺２０１ｂ及び左辺２０１ｄに対応する部分において劣化が大きい理由は、これらの部分（特にガス拡散層３の外周部）はセパレータの反応ガスの流路２０２，２０３の反転部に当接しているので、右辺２０１ｂ及び左辺２０１ｄに沿った方向において、セパレータの流路に当接する部分とセパレータの流路でない部分に当接する部分とが交互に存在する。このため、セルスタックの締結力によって高分子電界質膜２０１に賦課される圧力が右辺２０１ｂ及び左辺２０１ｄに沿った方向においては不均一となり、高い圧力が賦課される部分が大きく劣化するのであると推察される。一方、高分子電解質膜２０１の周縁部の上辺２０１ａ及び下辺２０１ｃに対応する部分の劣化が小さい理由は、これらの部分は、反応ガスの流路２０２，２０３のターン間の直線部分に当接しているので、上辺２０１ａ及び下辺２０１ｃに沿った方向においては、セパレータの流路に当接する部分とセパレータの流路でない部分に当接する部分とのいずれかが存在し、それらが混在することはない。このため、セルスタックの締結力によって高分子電界質膜２０１に賦課される圧力が上辺２０１ａ及び下辺２０１ｃに沿った方向においては均一となり、劣化が小さいのであると推察される。さらに、高分子電解質膜２０１の周縁部の下辺２０１ｃに対応する部分の劣化が特に小さい理由は、この部分は、反応ガスの流路２０２，２０３の下流部に当接するため、反応ガスの反応により生成される水分によってこの部分が十分加湿されるため特に劣化が小さいのであると推察される。
【００１２】
この知見によれば、高分子電解質膜はその４辺のうちの、セパレータにサーペンタイン状に形成された反応ガスの流路の列状の反転部に沿った２辺に対応するその周縁部には補強部を形成する必要があるが、残りの２辺のうちの、反応ガスの流路の下流部に沿った辺に対応するその周縁部には補強部を形成する必要がないことが判明した。
【００１３】
そこで、本発明者等はこの知見に基づき以下の構成を有する本発明を想到した。
【００１４】
本発明の膜−電極接合体の製造方法は、四辺形の高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対の触媒層と該一対の触媒層の上にそれぞれ設けられた一対の導電性のガス拡散層とを有する膜−電極接合体の製造方法において、所定の幅を有する長尺の膜状の芯材を準備する工程と、前記芯材に、該芯材を厚み方向に貫通する貫通孔が形成された通孔形成領域と、前記貫通孔が実質的に形成されていない通孔非形成領域とを、該通孔非形成領域が前記芯材の両縁に沿って一対の帯状に延在しかつ前記通孔形成領域が残りの部分に存在するように形成する工程と、前記通孔非形成領域及び通孔形成領域が形成された芯材の両面に前記貫通孔を埋めるように高分子電解質層を形成して前記一対の通孔非形成領域上に高分子電解質層が形成されてなる一対の高強度部を有する長尺の高分子電解質膜を作成する工程と、前記長尺の高分子電解質膜を所定の長さに切断して膜片状の高分子電解質膜を作成する工程と、前記膜片状の高分子電解質膜の両面に、前記一対の高強度部の間に少なくとも一部が位置するように前記一対の触媒層及びガス拡散層を形成する工程と、を有する。
【００１５】
また、本発明の膜−電極接合体の製造方法は、四辺形の高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対の触媒層と該一対の触媒層の上にそれぞれ設けられた一対の導電性のガス拡散層とを有する膜−電極接合体の製造方法において、所定の幅を有する長尺の膜状の芯材を準備する工程Ａと、前記芯材に、該芯材を厚み方向に貫通する貫通孔が形成された通孔形成領域と、前記貫通孔が実質的に形成されていない通孔非形成領域とを、該通孔非形成領域が前記芯材の幅方向に帯状に延びるようにして前記芯材の長さ方向に所定のピッチで複数存在しかつ前記通孔形成領域が残りの部分に存在するように形成する工程Ｂと、前記通孔非形成領域及び通孔形成領域が形成された芯材の両面に前記貫通孔を埋めるように高分子電解質層を形成して前記複数の通孔非形成領域上に高分子電解質層が形成されてなる複数の高強度部を有する長尺の高分子電解質膜を作成する工程Ｃと、前記長尺の高分子電解質膜を前記複数の高強度部において切断して、前記所定のピッチに相当する長さを有しかつ前記切断により形成された一対の辺に一対の前記高強度部を有する膜片状の高分子電解質膜を作成する工程Ｄと、前記膜片状の高分子電解質膜の両面に、前記一対の高強度部の間に少なくとも一部が位置するように前記一対の触媒層及びガス拡散層を形成する工程Ｅと、を有する。
【００１６】
前記工程Ｃと前記工程Ｄの間に、前記高分子電解質膜の少なくとも片側の縁に沿ってテープ状の補強部材を配設する工程Ｆを有し、前記工程Ｄにおいて、前記長尺の高分子電解質膜を前記複数の高強度部において切断し、それにより、前記所定のピッチに相当する長さを有しかつ前記切断により形成された一対の辺に一対の前記高強度部を有するとともに前記一対の辺の間の辺に沿って配設され両端が切断された前記補強部材を有する膜片状の高分子電解質膜を作成し、前記工程Ｅにおいて、前記膜片状の高分子電解質膜の両面に、前記一対の高強度部及び補強部材の間に少なくとも一部が位置するように前記一対の触媒層及びガス拡散層を形成してもよい。
【００１７】
また、本発明者等は、反応ガスの流れがいわゆる対向流である場合についても高分子電解質膜の劣化を調べた。その結果、対向流の場合は、矩形の高分子電解質膜の周縁部のうち、アノードガス流路の上流部に対応する部分と、カソードガス流路の上流部に対応する部分との劣化が大きいことが判明した。
【００１８】
そこで、本発明の膜−電極接合体は、四辺形の高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対の触媒層と該一対の触媒層の上にそれぞれ設けられた一対の導電性のガス拡散層とを有し、その内面の前記ガス拡散層に当接する領域であるガス拡散層当接領域に反応ガスの流路が凹設された一対のセパレータに挟まれて燃料電池に組み込まれる膜−電極接合体において、一方の前記セパレータにおいて、前記ガス拡散層当接領域における反応ガスの流路が、上流から下流に向かって、前記高分子電解質膜の１つの辺（以下、第１辺）に沿った方向において反転しながら前記第１辺に隣接する辺（以下、第２辺）に沿って前記第１辺から該第１辺に対向する辺（以下、第３辺）に向かう方向に延びるサーペンタイン状に形成され、かつ他方の前記セパレータにおいて、前記ガス拡散層当接領域における反応ガスの流路が、上流から下流に向かって、前記高分子電解質膜の第３辺に沿った方向において反転しながら前記第２辺に対向する辺（以下、第４辺）に沿って該第３辺から前記第１辺に向かう方向に延びるサーペンタイン状に形成され、前記高分子電解質膜の周縁部の前記第１辺と前記第３辺とに対応する部分に前記高分子電解質膜を補強する補強部が形成され、前記高分子電解質膜の周縁部の前記第２辺と前記第４辺とに対応する部分には前記補強部が形成されていない。
【００１９】
さらに、本発明者等は、反応ガスの流れがいわゆる直交流である場合についても高分子電解質膜の劣化を調べた。その結果、直交流の場合は、矩形の高分子電解質膜の周縁部のうち、アノードガス流路の上流部に対応する部分と、カソードガス流路の上流部に対応する部分との劣化が大きいことが判明した。
【００２０】
そこで、本発明の膜−電極接合体は、四辺形の高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対の触媒層と該一対の触媒層の上にそれぞれ設けられた一対の導電性のガス拡散層とを有し、その内面の前記ガス拡散層に当接する領域であるガス拡散層当接領域に反応ガスの流路が凹設された一対のセパレータに挟まれて燃料電池に組み込まれる膜−電極接合体において、一方の前記セパレータにおいて、前記ガス拡散層当接領域における反応ガスの流路が、上流から下流に向かって、前記高分子電解質膜の１つの辺（以下、第１辺）に沿った方向において反転しながら前記第１辺に隣接する辺（以下、第２辺）に沿って前記第１辺から該第１辺に対向する辺（以下、第３辺）に向かう方向に延びるサーペンタイン状に形成され、かつ他方の前記セパレータにおいて、前記ガス拡散層当接領域における反応ガスの流路が、上流から下流に向かって、前記高分子電解質膜の第２辺に沿った方向において反転しながら前記第１辺に沿って前記第２辺から該第２辺に対向する辺（以下、第４辺）に向かう方向に延びるサーペンタイン状に形成され、前記高分子電解質膜の周縁部の前記第１辺と前記第２辺とに対応する部分に前記高分子電解質膜を補強する補強部が形成され、前記高分子電解質膜の周縁部の前記第３辺と前記第４辺とに対応する部分には前記補強部が形成されていない。
【００２１】
また、本発明の膜−電極接合体の製造方法は、四辺形の高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対の触媒層と該一対の触媒層の上にそれぞれ設けられた一対の導電性のガス拡散層とを有する膜−電極接合体の製造方法において、所定の幅を有する長尺の膜状の芯材を準備する工程と、前記芯材に、該芯材を厚み方向に貫通する貫通孔が形成された通孔形成領域と、前記貫通孔が実質的に形成されていない通孔非形成領域とを、該通孔非形成領域が前記芯材の幅方向に帯状に延びるようにして前記芯材の長さ方向に所定のピッチで複数存在しかつ前記通孔形成領域が残りの部分に存在するように形成する工程と、前記通孔非形成領域及び通孔形成領域が形成された芯材の両面に前記貫通孔を埋めるように高分子電解質層を形成して前記複数の通孔非形成領域上に高分子電解質層が形成されてなる複数の高強度部を有する長尺の高分子電解質膜を作成する工程と、前記高分子電解質膜の片側の縁に沿ってテープ状の補強部材を配設する工程と、前記長尺の高分子電解質膜を前記複数の高強度部の近傍において切断し、それにより、前記所定のピッチに相当する長さを有しかつ前記切断により形成された辺に沿う前記高強度部を有するとともに前記辺に隣接する辺に沿って配設され両端が切断された前記補強部材を有する膜片状の高分子電解質膜を作成する工程と、前記膜片状の高分子電解質膜の両面に、前記高強度部及び補強部材とこれらに対向する辺との間に少なくとも一部が位置するように前記一対の触媒層及びガス拡散層を形成する工程と、を有する。
【００２２】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は上記のような構成を有し、効率良く製造することが可能な膜−電極接合体及びその製造方法並びにそれを組み込んだ燃料電池を提供できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の膜−電極接合体のセパレータの反応ガス流路及び冷却水流路に対するその厚み方向から見た位置関係を示す模式図である。図２は図１の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のIIB-IIB線に沿った断面を示す断面図である。
【００２５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本実施形態の膜−電極接合体１は、高分子電解質膜２を有している。この高分子電解質膜２の周縁部を除く部分の両面には一対の触媒層５がそれぞれ形成され、この一対の触媒層５の上に一対のガス拡散層３がそれぞれ設けられている。ガス拡散層３はここでは触媒層５の端面をも覆うように設けられている。そして触媒層５とガス拡散層３とが電極を構成している。
【００２６】
高分子電解質膜（正確には高分子電解質膜片）２は、ここでは、多数の貫通孔が形成された膜状の芯材（図３の芯材５１）の両面にその貫通孔を埋めるように高分子電解質層が形成されて構成されている。芯材の材料には、例えば、ポリフェニルスルフィド（ＰＰＳ）が好適に用いられる。この芯材がＰＰＳで構成される場合には、膜状の芯材にパンチングにより厚み方向の貫通孔（透孔：through hole）が形成される。高分子電解質層の材料には、プロトン伝導性を有する電解質、例えば、パーフルオロスルホン酸が好適に用いられる。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、高分子電解質膜２の着色部分は芯材に透孔が形成されている部分、すなわち非補強部である。一方、高分子電解質膜２の非着色部分４は芯材に透孔が形成されていない部分、すなわち、補強部である。この高強度部４は、透孔が形成されていないので、透孔の形成によって強度が低下しておらず、芯材の本来の強度を有している。この高強度部４は高分子電解質膜２の対向する２辺２ｂ，２ｄに沿って帯状に形成されている。この高強度部４の配設位置については、後で詳述する。ガス拡散層３の周縁部は、ここでは、この高分子電解質膜２の高強度部４上に形成されている。もちろん、ガス拡散層３の周縁部が高強度部４上に形成されていなくても構わない。
【００２７】
触媒層５は、例えば、白金等の触媒を担持した導電性担体で構成されている。導電性担体の材料には、例えば、ケッチェン、アセチレンブラック等が好適に用いられる。
【００２８】
ガス拡散層３は多孔性の導電体で構成されている。多孔性の導電体としては、例えば、カーボン不織布、カーボン紙等が好適に用いられる。
【００２９】
次に、高分子電解質膜２の高強度部４の配設位置について詳しく説明する。
【００３０】
図１において、本実施形態の膜−電極接合体１を用いた燃料電池（第４実施形態）では、セルスタックの断面が直角四辺形に形成されており、従って、膜−電極接合体１を構成する高分子電解質膜２も直角四辺形の平面形状を有するように形成されている。そして、この燃料電池は高分子電解質膜２の各対向する２辺がそれぞれ鉛直方向及び水平方向を向くように設置される。以下、この高分子電解質膜２の各辺を、便宜上、図１に示す方向に従って、それぞれ、上辺２ａ（第１辺）、右辺２ｂ（第２辺）、下辺２ｃ（第３辺）、及び左辺２ｄ（第４辺）と呼ぶ。
【００３１】
図１は、設置状態における膜−電極接合体１をその背面（カソード側の主面）側から見た外観を示している。図１では、膜−電極接合体１の背面の外観に重ねるようにして各セパレータに形成された反応ガスの流路Ａ，Ｃ及び冷却水流路Ｗが示されている。図１では、反応ガス流路Ａ，Ｃ及び冷却水流路Ｗは、１本の線で表されているが、実際には複数本の流路で構成されている。
【００３２】
高分子電解質膜２の上縁部には、その右側部分に冷却水供給マニフォールド孔２３Ａが形成されている。高分子電解質膜２の右縁部には、その上側部分に酸化剤ガス供給マニフォールド孔２２Ａが形成されている。高分子電解質膜２の下縁部には、その右側部分に燃料ガス排出マニフォールド孔２１Ｂが形成され、その左側部分に酸化剤ガス排出マニフォールド孔２２Ｂが形成されている。高分子電解質膜２の左縁部には、その上側部分に燃料ガス供給マニフォールド孔２１Ａが形成され、その下側部分に冷却水排出マニフォールド孔２３Ｂが形成されている。
【００３３】
各セパレータには、これらの各マニフォールド孔２１Ａ〜２３Ｂに対応するマニフォールド孔が形成されており、高分子電解質膜２及び各セパレータの各マニフォールド孔がそれぞれ繋がって、それぞれ、燃料ガス供給マニフォールド、燃料ガス排出マニフォールド、酸化剤ガス供給マニフォールド、酸化剤ガス排出マニフォールド、冷却水供給マニフォールド、及び冷却水排出マニフォールドが形成される。
【００３４】
アノードセパレータには、内面（膜−電極接合体１に当接する面）に一方の反応ガスの流路としての燃料ガス流路Ａが燃料ガス供給マニフォールド孔から燃料ガス排出マニフォールド孔に至るように形成され、外面（内面と反対側の面）に冷却水流路Ｗが冷却水供給マニフォールド孔から冷却水排出マニフォールド孔に至るように形成されている。
【００３５】
カソードセパレータには、内面（膜−電極接合体１に当接する面）に他方の反応ガスの流路としての酸化剤ガス流路Ｃが酸化剤ガス供給マニフォールド孔から酸化剤ガス排出マニフォールド孔に至るように形成され、外面（内面と反対側の面）に冷却水流路Ｗが冷却水供給マニフォールド孔から冷却水排出マニフォールド孔に至るように形成されている。
【００３６】
燃料ガス流路Ａ、酸化剤ガス流路Ｃ、及び冷却水流路Ｗは、膜−電極接合体１の厚み方向から見てガス拡散層３の内側に位置する領域においては、サーペンタイン状に形成されている。ここで、サーペンタイン状の流路とは、本発明においては、微視的にはある方向１０３に対して交差するように曲がりくねりながら巨視的には前記ある方向１０３に延びるように形成された流路をいう。本実施形態では、サーペンタイン状の流路は、微視的には上下方向（右辺２ｂ及び左辺２ｄに沿った方向）１０３に対し直交する方向、すなわち左右方向（上辺２ａ及び下辺２ｃに沿った方向）１０４に所定距離延びてそこで反転し、そこから左右方向における逆方向に所定距離延びてそこで反転するという区域を繰り返すようにして、巨視的には上下方向１０３に延びるように形成されている。
【００３７】
そして、各流路Ａ，Ｃ，Ｗは、フラッディング防止及高分子電解質膜乾燥防止の観点から、反転部の間の流路が互いに平行になるように形成されている。なお、各流路Ａ，Ｃ，Ｗの反転部の間の部分を流れる流体の方向は互いに同じ方向でも反対方向でも構わない。また、反転部の間の流路は、巨視的な流路の延びる方向１０３に対し直交しなくても構わない。
【００３８】
本実施形態では、反応ガス及び冷却水は、各セルにおいて、各々の供給マニフォールドから各々の流路Ａ，Ｃ，に流入し、そこを左右方向に蛇行しながら上から下へと流れて、各々の排出マニフォールドに流出する。このようなアノードガスの流れとカソードガスの流れとの関係を本発明においては平行流と呼ぶ（一般的にもこのように呼ぶ）。
【００３９】
そして、本実施形態では、サーペンタイン状の各流路Ａ，Ｃ，Ｗの列状の反転部の沿った辺である右辺２ｂ及び左辺２ｄに沿って帯状に高分子電解質膜の高強度部４が形成されている。
【００４０】
このような構成とすることにより、耐久試験において劣化が大きい、サーペンタイン状の各流路Ａ，Ｃ，Ｗの列状の反転部の沿った辺である右辺２ｂ及び左辺２ｄに対応する高分子電解質膜２の周縁部（正確にはガス拡散層３（電極）の周辺部）が高強度部４によって強度的に補強されるので、高分子電解質膜２の劣化を低減することができる。また、高分子電解質膜２の周縁部を全周に渡って補強する場合に比べて補強部分が減る分、膜−電極接合体１を効率良く製造することができる。
【００４１】
次に、以上のように構成された膜−電極接合体１の製造方法を説明する。
【００４２】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は本実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。
【００４３】
膜−電極接合体を製造するには、まず、原反の芯材５１に多数の透孔をパンチングにより形成する。加工前の芯材５１は、ロール（図示せず）の状態に巻かれており、その巻かれた芯材が引き出されながらパンチング加工され、その加工された芯材５１がロール５２の状態に巻き取られる。芯材５１は、所定の幅（高分子電解質膜片の幅：上辺２ａ及び下辺２ｃの長さ）Ｌ２に加工（スリット）されている。そして、パンチング加工の際、芯材５１は、その両縁に沿った所定の帯状の領域５１ａには透孔を形成せず、その他の領域（以下、通孔形成領域という）５１ｂには透孔を形成するようにパンチングされる（図３（ａ））。この透孔を形成されない領域（以下、通孔非形成領域という）５１ａは、図２の高強度部４となるべき領域である。
【００４４】
次いで、芯材５１の両面に透孔を埋めるようにして高分子電解質層が形成される。この工程も、加工前の芯材がロールから引き出され、加工後ロールに巻き取られるようにして行われる。これにより、帯状の高強度部４を有する高分子電解質膜２が作製される。
【００４５】
次いで、図３（ｂ）に示すように、高分子電解質膜２がロールから引き出されながら、所定の長さ（高分子電解質膜片の長さ：左辺２ｄ及び右辺２ｂ）Ｌ１にカットされる。これにより、矩形の膜片状の高分子電解質膜２が形成される。
【００４６】
次いで、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、この矩形の膜片状の高分子電解質膜２の両面に触媒層５及びガス拡散層３が順次設けられる。この工程は周知であるので、その詳しい説明は省略する。次いで、この矩形の膜片状の高分子電解質膜２の周縁部の所定位置に、アノードガス供給マニフォールド孔２１Ａ、アノードガス排出マニフォールド孔２１Ｂ、カソードガス供給マニフォールド孔２２Ａ、カソードガス排出マニフォールド孔２２Ｂ、冷却水供給マニフォールド孔２３Ａ、及び冷却水排出マニフォールド孔２３Ｂが形成される。
【００４７】
このようにして、膜−電極接合体１が作製される。
【００４８】
以上の膜−電極接合体の製造方法によれば、膜−電極接合体１に用いる膜片（高分子電解質膜片）に切断する前に、原反の状態で連続して高分子電解質膜２に高強度部４を形成することができるため、膜−電極接合体１を効率良く製造することができる。
［変形例１］
本変形例では、芯材５１が多孔質のジャパンゴアテックス社製・商品名「ゴアセレクト（II）」で構成される。そして、図３（ａ）に示す工程において、パンチングに代えて、一対の熱ロールで芯材５１の所定領域を挟むようにして押圧することにより、該所定領域の芯材５１の空隙（孔）が潰れて、通孔非形成領域５１ａ（高強度部４）が形成される。本変形例によっても、上述の場合と同様の効果を得ることができる。
［変形例２］
本変形例では、芯材５１が多孔質のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される。そして、図３（ａ）に示す工程において、パンチングに代えて、まず、芯材５１の通孔非形成領域５１ａ（高強度部４）となるべき部分（芯材５１の幅方向の２箇所、図３（ａ）中の帯状の領域５１ａ）を固定手段で固定して芯材５１を幅方向に延伸し（このとき、帯状の領域５１ａ以外の部分が延伸される）、その後、その固定を解除して芯材５１を長手方向に一対の押圧ロールで延伸する（このときは図３（ａ）中の帯状の領域５１ａ及び当該帯状の領域５１ａ以外の領域５１ｂの双方が延伸される）。これにより、固定手段で固定された部分は芯材の長手方向にのみ延伸されるので、帯状の領域５１ａの厚さをその他の領域５１ｂの厚さに比較して大きくすることができる。そのため帯状の領域５１ａ（高分子電解質膜２の周辺部に対応する領域）の機械的強度をその他の領域５１ｂの機械的強度よりも高くできる。このような本変形例によっても、本発明の効果を得ることができる。
【００４９】
このように、本実施形態では、高分子電解質膜の周縁部のうち、互いに対向する２辺に対応する部分のみに高強度部４が形成されていることから、高分子電解質膜２を原反の状態で連続的に補強加工することができるため、膜−電極接合体を効率良く生産することができる。また、高分子電解質膜の周縁部の補強部分が減る分、膜−電極接合体を効率良く生産することができる。
（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のIVB-IVB線に沿った断面を示す断面図である。図４において図２と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００５０】
図４に示すように、本実施形態の膜−電極接合体１では、高分子電解質膜２が、第１実施形態の高強度部４に代えて、補強部材６によって補強されている。これ以外の点は第１実施形態と同様である。
【００５１】
具体的には、高分子電解質膜２が内部に芯材を有しない高分子電解質膜で構成されている。そして、高分子電解質膜２の周縁部のうち、右辺２ｂ及び左辺２ｄに対応する部分に一対の所定幅の板状の補強部材６が右辺２ｂ及び左辺２ｄに沿ってそれぞれ配設されている。補強部材６は高分子電解質膜２の両面にそれぞれ一対配設されている。触媒層５は一対の補強部材６に両側が接するように形成され、ガス拡散層３は触媒層５と補強部材６の一部の上に設けられている。補強部材６の材料には、例えば、ＰＰＳ、ＰＴＦＥ等の樹脂が好適に用いられる。
【００５２】
次に、以上のように構成された膜−電極接合体の製造方法を説明する。
【００５３】
図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、及び図６（ｂ）は本実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。
【００５４】
本実施形態では、まず、図５（ａ）に示すように、高分子電解質膜２が所定の幅（高分子電解質膜片の幅）Ｌ２を有する原反に加工（スリット）されロール５３に巻き取られる。次いで、図５（ｂ）に示すように、高分子電解質膜２がロール５３から引き出されて所定の長さ（高分子電解質膜片の長さ）Ｌ１にカットされる。
【００５５】
次いで、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、膜片状の高分子電解質膜（高分子電解質膜片）２の両面に一対の触媒層５が形成される。その後、各触媒層５の両側（左右方向の端）に接するように一対の補強部材６が配設される。具体的には、補強部材６はテープ状のものを所定長にカットして高分子電解質膜２に貼り付けるようにして配設される。
【００５６】
次いで、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、触媒層５と補強部材６の一部との上にガス拡散層３が設けられる。
【００５７】
以上に説明したような本実施形態によれば、高分子電解質膜の周縁部を前周に渡って補強する場合に比べて、高分子電解質膜の周縁部の補強部分が減る分、膜−電極接合体１を効率良く生産することができる。
（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のVIIB-VIIB線に沿った断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のVIIC-VIIC線に沿った断面を示す断面図である。図７において図２と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００５８】
図７に示すように、本実施形態の膜−電極接合体１では、第１実施形態の膜−電極接合体１において、さらに上辺２ａに沿って補強部材６が配設されている。これ以外の点は第１実施形態と同様である。
【００５９】
具体的には、補強部材６は高分子電解質膜２の周縁部のうち、上辺２ａに対応する部分に該上辺２ａに沿って配設されている。補強部材６は高分子電解質膜２の両面にそれぞれ配設されている。触媒層５補強部材６に上側が接するように形成され、ガス拡散層３は触媒層５と補強部材６の一部の上に設けられている。
【００６０】
次に、以上のように構成された膜−電極接合体の製造方法を説明する。
【００６１】
本実施形態の膜−電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜２の両面に一対の触媒層５を形成するまでの工程は、第１実施形態の膜−電極接合体の製造方法と同じである。
【００６２】
その後、触媒層５の上側に接するように高分子電解質膜２上に補強部材６が配設され、その後、触媒層５と補強部材６の一部の上とにガス拡散層３が形成される。
【００６３】
以上に説明したような本実施形態によれば、高分子電解質膜２の周縁部のうちの上辺２ａに対応する部分も補強されるので、高分子電解質膜２の劣化をより低減することができる。また、高分子電解質膜の周縁部を全周に渡って補強する場合に比べて、高分子電解質膜の周縁部の補強部分が減る分、膜−電極接合体１を効率良く生産することができる。
（第４実施形態）
図８は本発明の第４実施形態の燃料電池の構成を示す一部分解斜視図である。図８において図２と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００６４】
本実施形態の燃料電池１０１は、所定数のセル９が積層されてその両端に集電板１０及び端板１１が配置され、これらが図示されないロッドにより所定圧力で締結されるようにして構成されている。セル９は、膜−電極接合体１の周縁部の両面に一対のガスケット７Ａ，７Ｂが配設され、これらがアノードセパレータ８Ａとカソードセパレータ８Ｂとで挟まれるようにして構成されている。膜−電極接合体１は、第１実施形態乃至第３実施形態及び後述する第５実施形態乃至第１１実施形態のいずれかの膜−電極接合体で構成されている。なお、図８においては、隣接するセル９の間に配設される冷却水シール部材の図示が省略されている。
【００６５】
本実施形態によれば、第１実施形態乃至第３実施形態で述べた効果及び第５実施形態乃至第１１実施形態で述べる効果が得られる。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態は、平行流に関して必要な補強を３辺に施した膜−電極接合体を例示したものである。換言すれば、第４実施形態に係る膜−電極接合体１の変形例を示したものである。
【００６６】
図１１は本実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のXIB-XIB線に沿った断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のXIC-XIC線に沿った断面を示す断面図である。図１１において図２と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００６７】
図１１に示すように、本実施形態の膜−電極接合体１では、第１実施形態の膜−電極接合体１において、さらに上辺２ａに沿って高強度部４が形成されている。これ以外の点は第１実施形態と同様である。
【００６８】
具体的には、高強度部４は高分子電解質膜２の周縁部のうち、上辺２ａ、右辺２ｂ、及び左辺２ｄに対応する部分に該上辺２ａ、右辺２ｂ、及び左辺２ｄに沿って形成されている。
【００６９】
以上のように構成された膜−電極接合体を製造するには、まず、原反の芯材を所定の長さＬにカットして矩形の膜片状にする。次いで、この矩形の膜片状の芯材をパンチング加工することによってこの膜片状の芯材に通孔非形成領域と通孔形成領域とを形成する。この通孔非形成領域は、膜片状の芯材の３辺（膜片の高分子電界質膜２の上辺２ａ、右辺２ｂ、及び左辺２ｄとなるべき辺）に対応する部分に該３辺に沿って逆Ｕ字状に形成される。その後、実施の形態１と同様の工程が遂行される。すなわち、この膜片状の芯材の両面に高分子電界質層が形成されて、該芯材が膜片の高分子電解質膜２とされる。これにより、図１１に示すように、高分子電解質膜２の周縁部のうち、上辺２ａ、右辺２ｂ、及び左辺２ｄに対応する部分に該上辺２ａ、右辺２ｂ、及び左辺２ｄに沿って高強度部４が形成される。次いで、この高分子電解質膜２の両面に触媒層５及びガス拡散層３が形成される。次いで、この高分子電解質膜２の周縁部の所定位置に所定のマニフォールド孔が形成される。かくして、本実施形態の膜−電極接合体が製造される。
【００７０】
本実施形態によれば、高分子電解質膜２の周縁部のうちの上辺２ａに対応する部分も補強されるので、高分子電解質膜２の劣化をより低減することができる。また、高分子電解質膜の周縁部を全周に渡って補強する場合に比べて、高分子電解質膜の周縁部の補強部分が減る分、膜−電極接合体１を効率良く生産することができる。
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態は、平行流に関して必要な補強を３辺に施した膜−電極接合体を例示したものである。換言すれば、第４実施形態に係る膜−電極接合体１の変形例を示したものである。
【００７１】
図１２は本実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のXIIB-XI0IB線に沿った断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のXIIC-XIIC線に沿った断面を示す断面図である。図１２において図４と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００７２】
図１２に示すように、本実施形態の膜−電極接合体１では、第２実施形態の膜−電極接合体１において、さらに上辺２ａに沿って補強部材６が配設されている。これ以外の点は第２実施形態と同様である。
【００７３】
具体的には、補強部材６は高分子電解質膜２の周縁部のうち、上辺２ａ、右辺２ｂ、及び左辺２ｄに対応する部分に該上辺２ａ、右辺２ｂ、及び左辺２ｄに沿って配設されている。補強部材６は高分子電解質膜２の両面にそれぞれ配設されている。また、このように構成された膜−電極接合体の製造方法は、膜片状の高分子電解質膜２の両面に一対の触媒層５を形成した後、各触媒層５の上端、左端、及び右端に接するように３個の補強部材６が配設される点以外は、第２実施形態の膜−電極接合体の製造方法と同じである。
【００７４】
本実施形態によれば、高分子電解質膜２の周縁部のうちの上辺２ａに対応する部分も補強されるので、高分子電解質膜２の劣化をより低減することができる。また、高分子電解質膜の周縁部を全周に渡って補強する場合に比べて、高分子電解質膜の周縁部の補強部分が減る分、膜−電極接合体１を効率良く生産することができる。
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態は、平行流に関して必要な補強を３辺に施した膜−電極接合体を例示したものである。換言すれば、第４実施形態に係る膜−電極接合体１の変形例を示したものである。
【００７５】
図１３は本実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のXIIIB-XIIIB線に沿った断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のXIIIC-XIIIC線に沿った断面を示す断面図である。図１３において図７と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００７６】
図１３に示すように、本実施形態の膜−電極接合体１では、芯材５１（図３参照）を有する高分子電解質膜２の周縁部のうち、上辺２ａに対応する部分に該上辺２ａに沿って高強度部４が形成され、左辺２ｄ及び右辺２ｂに対応する部分に該左辺２ｄ及び右辺２ｂに沿って一対の補強部材６が配設されている。これ以外の膜−電極接合体１構成は第３実施形態と同様である。
【００７７】
このように構成された膜−電極接合体１の製造方法は後の実施形態で詳しく説明する。
【００７８】
このような本実施形態によれば、高分子電解質膜２の周縁部のうちの上辺２ａに対応する部分も補強されるので、高分子電解質膜２の劣化をより低減することができる。また、高分子電解質膜の周縁部を全周に渡って補強する場合に比べて、高分子電解質膜の周縁部の補強部分が減る分、膜−電極接合体１を効率良く生産することができる。
（第８実施形態）
第１実施形態乃至第７実施形態は反応ガスの流れが平行流である場合の実施形態を例示したものであるが、本発明の第８実施形態は反応ガスの流れが対向流である場合の実施形態を例示したものである。
【００７９】
図１４は本実施形態の膜−電極接合体のセパレータの反応ガス流路及び冷却水流路に対するその厚み方向から見た位置関係を示す模式図である。図１４おいて図１と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００８０】
本実施の形態は以下の点で第１実施形態と相違し、その他の点は第１実施形態と同じである。本実施形態では、図１４に示すように、膜−電極接合体１において、高分子電解質膜２の周縁部のうち、上辺２ａ及び下辺２ｃに対応する部分に該上辺２ａ及び下辺２ｃに沿って一対の高強度部４が形成されている。
【００８１】
そして、本実施形態では、一対のセパレータにおける反応ガス及び冷却水の流路Ａ，Ｃ，Ｗ及び膜−電極接合体１における全てのマニフォールド孔の位置及び形状は第１実施形態と同じである。しかし、第１に、膜−電極接合体１におけるカソードガス供給マニフォールド孔２２Ａ及びカソードガス排出マニフォールド孔２２Ｂが本実施形態と第１実施形態とでは反対になっている。つまり、第１実施形態におけるカソードガス排出マニフォールド孔２２Ｂが本実施形態ではカソードガス供給マニフォールド孔２２Ａとなり、第１実施形態におけるカソードガス供給マニフォールド孔２２Ａが本実施形態ではカソードガス排出マニフォールド孔２２Ｂとなっている。従って、本実施形態では、カソードセパレータにおいてカソードガスがカソードガス流路Ｃを第１実施形態と反対の方向に流れる。その結果、本実施形態では、膜−電極接合体１の厚み方向から見て、カソードガスがアノードガスに対し巨視的に反対方向に流れる。つまり、アノードセパレータにおいて、ガス拡散層３に当接する領域におけるアノードガスの流路Ａが、上流から下流に向かって、高分子電解質膜２の上辺２ａに沿った方向において反転しながら右辺２ｂに沿って上辺２ａから下辺２ｃに向かう方向に延びるサーペンタイン状に形成され、カソードセパレータにおいて、ガス拡散層３に当接する領域におけカソードガスの流路Ｃが、上流から下流に向かって、高分子電解質膜２の下辺２ｃに沿った方向において反転しながら左辺２ｄに沿って下辺２ｃから上辺２ａに向かう方向に延びるサーペンタイン状に形成されている。従って、アノードガスの流れとカソードガスの流れとの関係が対向流となっている。
【００８２】
第２に、膜−電極接合体１における冷却水供給マニフォールド孔２３Ａ及び冷却水排出マニフォールド孔２３Ｂが本実施形態と第１実施形態とでは反対になっている。つまり、第１実施形態における冷却水排出マニフォールド孔２３Ｂが本実施形態では冷却水供給マニフォールド孔２３Ａとなり、第１実施形態における冷却水供給マニフォールド孔２３Ａが本実施形態では冷却水排出マニフォールド孔２３Ｂとなっている。従って、本実施形態では、カソードセパレータ及びアノードセパレータにおいて冷却水が冷却水流路Ｗを第１実施形態と反対の方向に流れる。その結果、本実施形態では、膜−電極接合体１の厚み方向から見て、冷却水がアノードガスに対し巨視的に反対方向に流れる。なお、冷却水はカソードガスに対しては巨視的に同じ方向に流れる。
【００８３】
本発明者等は、このような対向流についても、平行流の場合と同様にして高分子電解質膜の劣化を調べた。その結果、対向流の場合は、矩形の高分子電解質膜２の周縁部のうち、上辺２ａに対応する部分と下辺２ｃに対応する部分の劣化が最も大きいことが判明した。上辺２ａに対応する部分は、アノードガス流路Ａの上流部（アノードガスの入口側）に対応する部分であり、下辺２ｃに対応する部分は、カソードガス流路Ｃの上流部（カソードガスの入口側）に対応する部分である。
【００８４】
本実施形態の膜−電極接合体１では、これらの、高分子電解質膜２の周縁部のうちの上辺２ａ及び下辺２ｃに対応する部分に高強度部４がそれぞれ形成されているので、これらの部分の劣化を防止することができる。
【００８５】
次に、以上のように構成された本実施形態の膜−電極接合体１の製造方法を説明する。
【００８６】
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は本実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）において図３（ａ）及び図３（ｂ）と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００８７】
本実施形態の膜−電極接合体の製造方法は、以下の点を除き、第１実施形態の膜−電極接合体の製造方法と同じである。
【００８８】
本実施形態では、図１５（ａ）に示すように、芯材５１は、図１４の高分子電解質膜片の幅（上辺２ａ及び下辺２ｃの長さ）に相当する所定の幅Ｌ２の原反に加工（スリット）される。そして、この原反の芯材５１にパンチングにより幅方向の全長に渡って延びる帯状の通孔非形成領域５１ａが所定のピッチで形成される。この所定のピッチは、図１４の高分子電解質膜片の長さ（左辺２ｄ及び右辺２ｂの長さ）Ｌ１に相当するピッチである。このパンチング加工された芯材５１は、第１実施形態と同様の工程を経て、高分子電解質膜２に加工されロールに巻き取られる。この高分子電荷質膜２においては、芯材５１の通孔非形成領域５１ａが高強度部４となっている。
【００８９】
その後、図１５（ｂ）に示すように、高分子電解質膜２がロールから引き出されながら、高強度部４においてカットされ、所定の長さＬ１の膜片となる。これにより、膜片状の高分子電解質膜２が作製される。この膜片状の高分子電解質膜２に第１実施形態と同様の加工が施されて、図１４に示す膜−電極接合体１が作製される。
【００９０】
このような本実施形態の膜−電極体製造方法によれば、膜−電極接合体１に用いる膜片（高分子電解質膜片）に切断する前に、原反の状態で連続して高分子電解質膜２に、対向流に関して必要な高強度部４を形成することができるため、膜−電極接合体１を効率良く製造することができる。
【００９１】
なお、本実施形態の膜−電極接合体１を第１実施形態の膜−電極接合体の製造方法によって製造することもできる。この場合、図３（ａ）において、芯材５１の所定の幅を図１４の高分子電解質膜（膜片）２の長さＬ１とし、図３（ｂ）において、高分子電解質膜２を、図１４の高分子電解質膜（膜片）２の幅に相当する長さＬ２にカットすればよい。
【００９２】
また、逆に、本実施形態の膜−電極接合体の製造方法を第１実施形態の膜−電極接合体の製造方法に応用することもできる。この場合、図１５（ａ）、（ｂ）において、芯材５１の所定の幅を図１の高分子電解質膜（膜片）２の長さＬ１とし、高強度部４のピッチを図１の高分子電解質膜（膜片）２の幅Ｌ２とすればよい。
（第９実施形態）
本発明の第９実施形態は反応ガスの流れが直交流である場合の実施形態を例示したものである。
【００９３】
図１６は本実施形態の膜−電極接合体のセパレータの反応ガス流路及び冷却水流路に対するその厚み方向から見た位置関係を示す模式図である。図１６において図１と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００９４】
本実施の形態は以下の点で第１実施形態と相違し、その他の点は第１実施形態と同じである。本実施形態では、図１６に示すように、膜−電極接合体１において、高分子電解質膜２の周縁部のうち、右辺２ｂに対応する部分に該右辺２ｂに沿って高強度部４が形成され、上辺２ａに対応する部分に該上辺２ａに沿って補強部材６が配設されている。
【００９５】
そして、本実施形態では、一対のセパレータにおけるアノードガス流路Ａ及び冷却水流路Ｗ並びに膜−電極接合体１における全てのマニフォールド孔の位置及び形状は第１実施形態と同じである。しかし、カソードセパレータにおけるカソードガス流路Ｃが、第１実施形態とは異なり、膜−電極接合体１の厚み方向から見て、アノードガス流路Ａに対し巨視的に直交するように形成されている。すなわち、アノードガスの流れとカソードガスの流れとの関係が直交流となっている。具体的には、カソードガス流路Ｃは、微視的には左右方向（上辺２ａ及び下辺２ｃに沿った方向）１０４に対し直交する方向、すなわち上下方向（右辺２ｂ及び左辺２ｄに沿った方向）１０３に所定距離延びてそこで反転し、そこから上下方向における逆方向に所定距離延びてそこで反転するという区域を繰り返すようにして、巨視的には左右方向１０４に延びるように形成されている。一方、アノードガス流路Ａは、巨視的には上下方向１０３に延びるように形成されているので、アノードガス流路Ａとカソードガス流路Ｃとは巨視的に直交するように形成されている。
【００９６】
次に、以上のように構成された本実施形態の膜−電極接合体１の製造方法を説明する。
【００９７】
本発明者等は、このような直交流についても、平行流の場合と同様にして高分子電解質膜の劣化を調べた。その結果、直交流の場合は、矩形の高分子電解質膜２の周縁部のうち、上辺２ａに対応する部分と右辺２ｂに対応する部分の劣化が最も大きいことが判明した。上辺２ａに対応する部分は、アノードガス流路Ａの上流部（アノードガスの入口側）に対応する部分であり、右辺２ｂに対応する部分は、カソードガス流路Ｃの上流部（カソードガスの入口側）に対応する部分である。
【００９８】
本実施形態の膜−電極接合体１では、これらの、高分子電解質膜２の周縁部のうちの上辺２ａに対応する部分に補強部材６が配設されかつ右辺２ｂに対応する部分に高強度部４が形成されているので、これらの部分の劣化を防止することができる。
【００９９】
次に、以上のように構成された本実施形態の膜−電極接合体１の製造方法を説明する。
【０１００】
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は本実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）において図１５（ａ）及び図１５（ｂ）と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【０１０１】
本実施形態の膜−電極接合体の製造方法は、以下の点を除き、第１実施形態の膜−電極接合体の製造方法と同じである。
【０１０２】
本実施形態では、まず、以下のように高分子電解質膜が作製される。この工程は、作製される芯材（ひいては高分子電解質膜）の幅寸法及び通孔非形成領域（ひいては補強部）のピッチが異なる点を除き、第８実施形態と同様である。従って図１５（ａ）を参照してこの工程を説明する。図１５（ａ）において、芯材５１が、図１６の高分子電解質膜片の長さ（左辺２ｄ及び右辺２ｂの長さ）に相当する所定の幅Ｌ１の原反に加工（スリット）される。そして、この原反の芯材５１にパンチングにより幅方向の全長に渡って延びる帯状の通孔非形成領域５１ａが所定のピッチで形成される。この所定のピッチは、図１６の高分子電解質膜片の幅（上辺２ａ及び下辺２ｃの長さ）Ｌ２に相当するピッチである。このパンチング加工された芯材５１は、第１実施形態と同様の工程を経て、高分子電解質膜２に加工されロール５２に巻き取られる。この高分子電荷質膜２においては、芯材５１の通孔非形成領域５１ａが高強度部４となっている。
【０１０３】
次いで、図１７（ａ）に示すように、この原反の高分子電解質膜２の両面に片側の縁に沿ってテープ状の補強部材６が貼り付けられる。この補強部材６の貼り付けは、良く知られているように、例えば、原反の高分子電解質膜２をロールから引き出し、この引き出した高分子電界質膜２の両面にテープ状の補強部材６を供給し、これらを一対の押圧ロールの間を通過させることによって行うことができる。この補強部材６が貼り付けられた原反の高分子電解質膜２はロール５４に巻き取られる。
【０１０４】
その後、図１７（ｂ）に示すように、原反の高分子電解質膜２がロール５４から引き出されながら、高強度部４の直後の部分においてカットされ、所定の長さＬ２の膜片となる。これにより膜片状の高分子電解質膜２が作製される。この膜片状の高分子電解質膜２に第１実施形態と同様の加工が施されて、図１６に示す膜−電極接合体１が作製される。
【０１０５】
このような本実施形態の膜−電極体製造方法によれば、膜−電極接合体１に用いる膜片（高分子電解質膜片）に切断する前に、原反の状態で連続して高分子電解質膜２に、対向流に関して必要な高強度部４を形成しかつ補強部材６を配設することができるため、膜−電極接合体１を効率良く製造することができる。
（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態は、平行流に関して必要な補強を３辺に施した膜−電極接合体の効率の良い製造方法を例示したものである。換言すれば、第３実施形態に係る膜−電極接合体１の製造方法の変形例を示したものである。
【０１０６】
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は本発明の第１０実施形態に係る膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。図１８（ａ）及び図１８（ｂ）において図１７（ａ）及び図１７（ｂ）と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【０１０７】
図１８（ａ）に示すように、本実施形態の膜−電極接合体の製造方法は、補強部材６を貼り付けた高分子電解質膜２のロール５４を形成するまでの工程は、第９実施形態の膜−電極接合体の製造方法と同じである。
そして、本実施形態では、図１８（ｂ）に示すように、この原反の高分子電解質膜２がロール５４から引き出されながら、高強度部４においてカットされ、所定の長さＬ２の膜片になる。これにより膜片状の高分子電解質膜２が作製される。この膜片状の高分子電解質膜２に第３実施形態と同様の加工が施されて、図７に示す膜−電極接合体１が作製される。
【０１０８】
このような本実施形態の膜−電極体製造方法によれば、膜−電極接合体１に用いる膜片（高分子電解質膜片）に切断する前に、原反の状態で連続して高分子電解質膜２に高強度部４を形成しかつ補強部材６を配設することができるため、平行流に関して必要な３辺の補強を施した膜−電極接合体１を効率良く製造することができる。
（第１１実施形態）
本発明の第１１実施形態は第３実施形態に係る膜−電極接合体１の製造方法を示したものである。
【０１０９】
図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は本実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。図１９（ａ）及び図１９（ｂ）において図３（ａ）及び図３（ｂ）と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【０１１０】
本実施形態の膜−電極接合体の製造方法は、以下の点を除き、第１実施形態の膜−電極接合体の製造方法と同じである。
【０１１１】
本実施形態では、まず、以下のように高分子電解質膜が作製される。この工程は、第８実施形態と同様である。従って図１５（ａ）を参照してこの工程を説明する。図１５（ａ）において、芯材５１が、図１３の高分子電解質膜片の幅（上辺２ａ及び下辺２ｃの長さ）に相当する所定の幅Ｌ２の原反に加工（スリット）される。そして、この原反の芯材５１にパンチングにより幅方向の全長に渡って延びる帯状の通孔非形成領域５１ａが所定のピッチで形成される。この所定のピッチは、図１３の高分子電解質膜片の長さ（右辺２ｂ及び左辺２ｄの長さ）Ｌ１に相当するピッチである。このパンチング加工された芯材５１は、第１実施形態と同様の工程を経て、高分子電解質膜２に加工されロール５２に巻き取られる。この高分子電荷質膜２においては、芯材５１の通孔非形成領域５１ａが高強度部４となっている。
【０１１２】
次いで、図１９（ａ）に示すように、この原反の高分子電解質膜２の両面に両側の縁に沿って一対のテープ状の補強部材６が貼り付けられる。この補強部材６の貼り付けは、良く知られているように、例えば、原反の高分子電解質膜２をロールから引き出し、この引き出した高分子電界質膜２の両面に一対のテープ状の補強部材６を供給し、これらを一対の押圧ロールの間を通過させることによって行うことができる。この補強部材６が貼り付けられた原反の高分子電解質膜２はロール５４に巻き取られる。
【０１１３】
その後、図１９（ｂ）に示すように、原反の高分子電解質膜２がロール５４から引き出されながら、高強度部４の直後の部分においてカットされ、所定の長さＬ１の膜片になる。これにより膜片状の高分子電解質膜２が作製される。この膜片状の高分子電解質膜２に第１実施形態と同様の加工が施されて、図１３に示す膜−電極接合体１が作製される。
【０１１４】
このような本実施形態の膜−電極体製造方法によれば、膜−電極接合体１に用いる膜片（高分子電解質膜片）に切断する前に、原反の状態で連続して高分子電解質膜２に高強度部４を形成しかつ補強部材６を配設することができるため、平行流に関して必要な３辺の補強を施した膜−電極接合体１を効率良く製造することができる。
【０１１５】
なお、上記各実施の形態において、高分子電界質膜２の膜片の全幅又は全長に渡るように設けられている高強度部４又は補強部材６は、高分子電界質膜２の膜片の幅方向の一部又は長さ方向の一部に渡るように設けられてもよい。
【０１１６】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明の膜−電極接合体は、効率良く製造可能な膜−電極接合体として有用である。
【０１１８】
本発明の燃料電池は、効率良く膜−電極接合体を製造可能な燃料電池として有用である。
【０１１９】
本発明の膜−電極接合体の製造方法は、製造効率の良い膜−電極接合体の製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】図１は本発明の第１実施形態の膜−電極接合体のセパレータの反応ガス流路及び冷却水流路に対するその厚み方向から見た位置関係を示す模式図である。
【図２】図２は図１の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のIIB-IIB線に沿った断面を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の第１実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。
【図４】図４は本発明の第２実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のIVB-IVB線に沿った断面を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は本発明の第２実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は本発明の第２実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。
【図７】図７は本発明の第３実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のVIIB-VIIB線に沿った断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のVIIC-VIIC線に沿った断面を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の第４実施形態の燃料電池の構成を示す一部分解斜視図である。
【図９】図９は本発明の課題検討に使用した燃料電池における膜−電極接合体の厚み方向から見た膜−電極接合体とセパレータの反応ガス流路及び冷却水流路との位置関係を示す模式図である。
【図１０】図１０は本発明の課題検討に使用した燃料電池の膜−電極接合体の主面におけるガスリーク量の分布を示すグラフである。
【図１１】図１１は本発明の第５実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のXIB-XIB線に沿った断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のXIC-XIC線に沿った断面を示す断面図である。
【図１２】図１２は本発明の第６実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のXIIB-XI0IB線に沿った断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のXIIC-XIIC線に沿った断面を示す断面図である。
【図１３】図１３は本発明の第７実施形態の膜−電極接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のXIIIB-XIIIB線に沿った断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のXIIIC-XIIIC線に沿った断面を示す断面図である。
【図１４】図１４は本発明の第８実施形態の膜−電極接合体のセパレータの反応ガス流路及び冷却水流路に対するその厚み方向から見た位置関係を示す模式図である。
【図１５】図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は本発明の第８実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。
【図１６】図１６は本発明の第９実施形態の膜−電極接合体のセパレータの反応ガス流路及び冷却水流路に対するその厚み方向から見た位置関係を示す模式図である。
【図１７】図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は本発明の第９実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。
【図１８】図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は本発明の第１０実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。
【図１９】図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は本発明の第１１実施形態の膜−電極接合体の製造工程を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１  膜−電極接合体
２  高分子電解質膜
２ａ〜２ｄ  高分子電解質膜の辺
３  ガス拡散層
４  補強部
５  触媒層
６  補強部材
７Ａ，７Ｂ  ガスケット
８Ａ  アノードセパレータ
８Ｂ  カソードセパレータ
９  セル
１０  集電板
１１  端板
２１Ａ  燃料ガス供給マニフォールド孔
２１Ｂ  燃料ガス排出マニフォールド孔
２２Ａ  酸化剤ガス供給マニフォールド孔
２２Ｂ  酸化剤ガス排出マニフォールド孔
２３Ａ  冷却水供給マニフォールド孔
２３Ｂ  冷却水排出マニフォールド孔
５１  芯材
５１ａ  通孔非形成領域
５１ｂ  通孔形成領域
５２  ロール
５３  ロール
５４  ロール
１０１  燃料電池
１０３  サーペンタイン状の流路の巨視的な延在方向
１０４  サーペンタイン状の流路の巨視的な延在方向に交差する方向
２０１  高分子電解質膜
２０１ａ〜２０１ｄ  高分子電解質膜の辺
２０２，２０３  反応ガスの流路
２０４  冷却水の流路
Ａ  燃料ガス流路
Ｃ  酸化剤ガス流路
Ｗ  冷却水流路
【図１】
2008235283.tif 000003
【図２】
2008235283.tif 000004
【図３】
2008235283.tif 000005
【図４】
2008235283.tif 000006
【図５】
2008235283.tif 000007
【図６】
2008235283.tif 000008
【図７】
2008235283.tif 000009
【図８】
2008235283.tif 000010
【図９】
2008235283.tif 000011
【図１０】
2008235283.tif 000012
【図１１】
2008235283.tif 000013
【図１２】
2008235283.tif 000014
【図１３】
2008235283.tif 000015
【図１４】
2008235283.tif 000016
【図１５】
2008235283.tif 000017
【図１６】
2008235283.tif 000018
【図１７】
2008235283.tif 000019
【図１８】
2008235283.tif 000020
【図１９】
2008235283.tif 000021