(57)【要約】  固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の１つの面全体を実質的に覆う電極と、電極の開放面と部分的に重なり合うように、電極の少なくとも２つの対向する外部領域に取り付けられた構造フィルム層とを備える、触媒被覆膜組立体。構造フィルム層を使用することにより、大量に高い歩留りで組立体を製造することができ、組立体のコストを低減できる。
2010510624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）対向する面を有する固体高分子電解質膜と；
（ｂ）該固体高分子電解質膜の該面の少なくとも一方を覆う触媒を含み、かつ該高分子電解質膜と同一の広がりをもつ電極であって、複数の側を有する完全に触媒化された膜組立体を形成する、電極と；
（ｃ）該完全に触媒化された膜組立体の少なくとも２つの対向する側に結合されて、該電極と部分的に重なり合う、構造フィルム層と
を備える組立体。
【請求項２】
前記構造フィルム層が、前記電極の全ての側に結合されている、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記構造フィルムを前記完全に触媒化された膜組立体に結合するガスシール手段をさらに備える、請求項１に記載の組立体。
【請求項４】
前記ガスシール手段が、前記電極の少なくとも一部に吸収された前記構造フィルム層を含む、請求項３に記載の組立体。
【請求項５】
前記ガスシール手段が接着剤を含む、請求項３に記載の組立体。
【請求項６】
前記接着剤が、前記電極の外側部分の少なくとも一部に吸収されている、請求項５に記載の組立体。
【請求項７】
前記固体高分子電解質が、ペルフルオロスルホン酸イオノマーを含む、請求項６に記載の組立体。
【請求項８】
前記固体高分子電解質が、延伸ポリテトラフルオロエチレンをさらに含む、請求項７に記載の組立体。
【請求項９】
前記構造フィルム層がポリエチレンナフタレートを含む、請求項８に記載の組立体。
【請求項１０】
前記接着剤が、テトラフルオロエチレンを含むフッ素系熱可塑性樹脂を含んでなる、請求項９に記載の組立体。
【請求項１１】
前記組立体が少なくとも１つのガス拡散層を含む、請求項５に記載の組立体。
【請求項１２】
前記組立体がシールガスケットをさらに含む、請求項１１に記載の組立体。
【請求項１３】
前記電極がアノードであり、前記構造フィルム層が該アノードと重なり合う、請求項１に記載の組立体。
【請求項１４】
前記電極がアノードであり、前記構造フィルム層が該カソードと重なり合う、請求項１に記載の組立体。
【請求項１５】
前記構造フィルム層が、前記完全に触媒化された膜組立体の端面を越えて延在する、請求項１に記載の組立体。
【請求項１６】
（ａ）２つの面を有する固体高分子電解質膜と；
（ｂ）該高分子電解質膜の第１面全体を実質的に覆う第１電極と；
（ｃ）該高分子電解質膜の第２面全体を実質的に覆う第２電極と；
（ｄ）該第１電極の開放面と部分的に重なり合うように、該第１電極の少なくとも２つの対向する外部領域に取り付けられる第１構造フィルム層と；
（ｅ）（ｉ）該第２電極の開放面と部分的に重なり合うように、該第２電極の少なくとも２つの対向する外部領域に取り付けられるか、（ii）該第１構造フィルム層に取り付けられるか、あるいは（ｉ）と（ii）の両方に取り付けられる、第２構造フィルム層と
を備える、触媒被覆膜組立体。
【請求項１７】
前記第１構造フィルム層もしくは前記第２構造フィルム層のいずれか一方又はそれら両方が、前記電極の外部領域全てと重なり合っている、請求項１６に記載の触媒被覆膜。
【請求項１８】
前記第１構造フィルム層及び前記第２構造フィルム層の少なくとも一方が、接着剤で前記第１電極又は前記第２電極に取り付けられている、請求項１６に記載の触媒被覆膜。
【請求項１９】
前記第１構造フィルム層又は前記第２構造フィルム層が、取り付けられる前記第１電極又は前記第２電極の外側領域の少なくとも一部に吸収されている、請求項１６に記載の触媒被覆膜。
【請求項２０】
前記第１構造フィルム層又は前記第２構造フィルム層が、接着剤で前記第１電極又は前記第２電極に取り付けられている、請求項１７に記載の触媒被覆膜。
【請求項２１】
前記接着剤が、前記第１電極又は前記第２電極のいずれかの外側部分の少なくとも一部に吸収されている、請求項２０に記載の触媒被覆膜。
【請求項２２】
前記固体高分子電解質が、ペルフルオロスルホン酸イオノマーを含む、請求項２１に記載の触媒被覆膜。
【請求項２３】
前記固体高分子電解質が、延伸ポリテトラフルオロエチレンをさらに含む、請求項２２に記載の触媒被覆膜。
【請求項２４】
前記第１構造フィルム層もしくは前記第２構造フィルム層又はそれら両方が、ポリエチレンナフタレートを含む、請求項２３に記載の触媒被覆膜。
【請求項２５】
前記接着剤が、テトラフルオロエチレンを含むフッ素系熱可塑性樹脂を含んでなる、請求項２４に記載の触媒被覆膜。
【請求項２６】
請求項２０に記載の触媒被覆膜を用いた組立体であって、少なくとも１つのガス拡散層を含む、組立体。
【請求項２７】
前記組立体がシールガスケットをさらに含む、請求項２６に記載の組立体。
【請求項２８】
（ａ）固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に取り付けられた、開放面と外側領域を有する少なくとも１つの電極とを備える、完全に触媒化された膜組立体を用意することと；
（ｂ）該電極の開放面と部分的に重なり合うように、該電極の少なくとも２つの対向する外部領域に構造フィルム層を取り付けることと
を含む、組立体の製造方法。
【請求項２９】
工程（ｂ）で前記構造フィルム層を取り付けることに接着剤を使用することが含まれる、請求項２８に記載の、組立体の製造方法。
【請求項３０】
前記接着剤が熱可塑性ポリマーである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記接着剤が、テトラフルオロエチレンを含むフッ素系熱可塑性樹脂を含んでなる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
（ｃ）前記電極の少なくとも１つにガス拡散層を適用すること、をさらに含む、請求項２８に記載の、組立体の製造方法。
【請求項３３】
（ｃ）前記構造フィルム層にシールガスケットを適用すること、をさらに含む、請求項２８に記載の、組立体の製造方法。
【請求項３４】
（ｄ）前記構造フィルム層にシールガスケットを適用すること、をさらに含む、請求項３２に記載の、組立体の製造方法。
【請求項３５】
請求項１に記載の組立体を含む、燃料電池。
【請求項３６】
請求項１５に記載の触媒被覆膜を含む、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池に関し、より詳細には、ＰＥＭ燃料電池で使用するための、縁付きの完全に触媒化された膜組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の中心的要素はイオン交換膜である。典型的には、膜はアノードとカソードの間に配置される。電極は、燃料（水素燃料電池の場合アノード）及び酸化剤（水素燃料電池の場合酸素）の反応を促進する触媒を含有し、様々な貴金属又は他の周知の触媒を含むことができる。「触媒被覆膜」（ＣＣＭ）とは、少なくとも１つの膜と、その膜に隣接する触媒を含有する少なくとも１つの電極との組み合わせを意味する。完全に触媒化された膜組立体（ＦＣＭＡ）は、少なくとも１つの電極が、隣接する膜の全面を実質的に覆っている（すなわち電極が膜と同一の広がりをもつ）ＣＣＭである。典型的な触媒被覆膜では、膜の一方の表面にアノードが結合され、膜の他方の表面にカソードが結合されているが、そのように結合されていることは本質ではない。
【０００３】
ＰＥＭＦＣにおいて、膜は、燃料電池の動作中の、一方の電極から他方へのイオン移動を促進する。理想的には、イオンが電極間をできるだけ速やかに移動できるように膜は可能な限り薄くされる。しかしながら、膜は薄くなるほど一般に弱くなる。そのため、膜の強化が必要である。これに対する方策の１つは、強化材を膜の内部に組み入れることである。そのような方策の例は、Ｂａｈａｒらの米国再発行特許第３７３０７号に具現化されており、そこでは膜の支持体として延伸ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの多孔質材料を使用することが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、状況によっては、膜のより一層の強化及びその膜から形成されたＣＣＭが必要とされる。典型的には炭素繊維紙から作られるガス拡散層を含む組立体に膜を使用する場合、炭素繊維は膜を穿刺することが時々あって、そのため組立体を短絡してその性能を低下させるか損ねることが知られている。組立体の穿刺は、組立体自体の製造工程中に生じる場合があり、あるいは型締圧によりシール成形工程中に生じる場合もある。また穿刺は使用中経時で生じる場合もあり、加工又はスタック組み立て中の取り扱いを通じて生じる場合もある。そのため、ガス拡散媒体の繊維による穿刺から膜を保護することが望ましい。
【０００５】
さらに、膜及びＣＣＭのための追加の支持体が、全体の寸法安定性を高めるためにしばしば必要とされる。湿度などの環境条件あるいは単なる膜の取り扱いによって、膜が損傷する場合がある。この寸法安定性を高める追加の補強材及び支持体が望まれている。
【０００６】
そのような追加の支持体を提供する典型的な試みには、電極の面に加えて電極の端面がエラストマーでシールされるように、エラストマー材料を電極の外部領域に直接吸収させることが含まれる。本明細書で使用する膜の「面」とは、燃料電池の動作中に膜を通る主イオン流に対して垂直となる膜の表面である。電極の「面」とは、燃料電池の動作中に膜を通る主イオン流に対して垂直となる膜−電極界面と反対側の電極の表面である。電極の「端面」とは、膜を通る主イオン流に対して平行でありかつ電極の面に垂直となる表面である。電極の「外部領域」とは、電極端面近傍の電極の体積であり、電極の面から電極／膜界面までの端面近傍の体積、又はその任意の部分を含む。エラストマー材料を電極の外部領域に直接吸収させることの欠点は、エラストマーの形成中に電極及び／又は膜が簡単に損傷するおそれがあることである。そのためこの設計に関連する材料及び加工のコストは高い。寸法安定性を高め穿刺から保護するための構造支持体を有し、また既存の設計と比べて製造がより効率的である、より優れた組立体が望まれている。
【０００７】
本明細書で使用する「組立体」とは、少なくとも１つの膜と構造支持体の組み合わせを意味するが、「組立体」に他の構成要素、例えば電極、ガス拡散媒体、シールガスケットなどが含まれてもよい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願により具現化される発明は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面全体を実質的に覆う電極と、電極の開放面と部分的に重なり合うように、電極の少なくとも２つの対向する外部領域に取り付けられた構造フィルム層とを含む触媒被覆膜組立体である。追加実施態様では、このＣＣＭ組立体は、接着剤で電極に取り付けられた構造フィルム層を有してもよく、あるいは電極の外部領域の少なくとも一部に吸収させた構造フィルム層を有してもよい。このような組立体を燃料電池で使用することも本発明の実施態様である。
【０００９】
本発明の追加実施態様には、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面全体を実質的に覆う電極と、電極の開放面と部分的に重なり合うように電極の外部領域の全てに取り付けられた構造フィルム層とを含む触媒被覆膜が包含される。さらに、構造フィルム層は接着剤で電極に取り付けられていてもよい。また、接着剤を電極の外側部分の少なくとも一部に吸収させてもよい。これらのＣＣＭは、ペルフルオロスルホン酸イオノマー、及び／又は延伸ポリテトラフルオロエチレンを含む固体高分子電解質を使用してもよい。これらの実施態様における構造フィルム層は、ポリエチレンナフタレートを含んでもよく、テトラフルオロエチレンを含むフッ素系熱可塑性樹脂を含んでもよい。接着剤を使用する場合、接着剤にテトラフルオロエチレンを含むフッ素系熱可塑性樹脂が含まれてもよい。
【００１０】
本発明の追加実施態様には、組立体がさらに少なくとも１つのガス拡散層を含む、上記２つの段落に記載した触媒被覆膜のいずれかを用いた組立体が包含される。さらに、これらの組立体はいずれもシールガスケットを含んでもよい。
【００１１】
本発明のさらに追加の実施態様には、２つの面を有する固体高分子電解質膜と、高分子電解質膜の第１面全体を実質的に覆う第１電極と、高分子電解質膜の第２面全体を実質的に覆う第２電極と、第１電極の開放面と部分的に重なり合うように、第１電極の少なくとも２つの対向する外部領域に取り付けられる第１構造フィルム層と、（ｉ）第２電極の開放面と部分的に重なり合うように、第２電極の少なくとも２つの対向する外部領域に取り付けられるか、（ii）第１構造フィルム層に取り付けられるか、あるいは（ｉ）と（ii）の両方に取り付けられる、第２構造フィルム層とを備える、触媒被覆膜組立体が包含される。このような組立体を燃料電池で使用することも本発明の実施態様である。
【００１２】
本発明のさらなる実施態様には、第１構造フィルム層もしくは第２構造フィルム層のいずれか一方又はそれら両方が接着剤で電極に取り付けられているか、あるいは第１構造フィルム層又は第２構造フィルム層を、それらが取り付けられる第１電極又は第２電極の外側領域の少なくとも一部に吸収させた、上記段落の触媒被覆膜組立体が包含される。
【００１３】
本発明の他の実施態様では、触媒被覆膜組立体は、２つの面を有する固体高分子電解質膜と、高分子電解質膜の第１面全体を実質的に覆う第１電極と、高分子電解質膜の第２面全体を実質的に覆う第２電極と、電極の開放面と部分的に重なり合うように、電極の外部領域全てに取り付けられる第１構造フィルム層と、（ｉ）第２電極の開放面と部分的に重なり合うように、第２電極の少なくとも２つの対向する外部領域に取り付けられるか、（ii）第１構造フィルム層に取り付けられるか、あるいは（ｉ）と（ii）の両方に取り付けられる、第２構造フィルム層とを備える。これらの組立体は、接着剤で第１電極又は第２電極に取り付けられた第１構造フィルム層又は第２構造フィルム層のいずれかを有してもよい。さらに、接着剤を第１電極又は第２電極のいずれかの外側部分の少なくとも一部に吸収させてもよい。これらのＣＣＭは、ペルフルオロスルホン酸イオノマー、及び／又は延伸ポリテトラフルオロエチレンを含む固体高分子電解質を使用してもよい。これらの実施態様における構造フィルム層は、ポリエチレンナフタレートを含んでもよく、テトラフルオロエチレンを含むフッ素系熱可塑性樹脂を含んでもよい。接着剤を使用する場合、接着剤にテトラフルオロエチレンを含むフッ素系熱可塑性樹脂が含まれてもよい。組立体が少なくとも１つのガス拡散層を含んでもよく、シールガスケットをさらに含んでもよい。
【００１４】
本発明のさらなる実施態様には、（ａ）固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜に取り付けられた少なくとも１つの電極とを備える、完全に触媒化された膜組立体を用意することと；（ｂ）電極の開放面と部分的に重なり合うように、電極の少なくとも２つの対向する外部領域に構造フィルム層を取り付けることとを含む、触媒被覆膜組立体の製造方法が包含される。そのような方法では、工程（ｂ）で接着剤を使用して構造フィルム層を取り付けてもよく、その接着剤は、熱可塑性ポリマー、又はテトラフルオロエチレンを含むフッ素系熱可塑性樹脂であってよい。本発明のさらなる実施態様には、ガス拡散層が電極の少なくとも１つに適用される、又はシールガスケットが構造フィルム層に適用される、追加の工程（ｃ）が含まれるか、あるいはガス拡散層及びシール層の両方が組立体に適用される２つの追加の工程（ｃ）及び（ｄ）が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１（ａ）】単一の構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図１（ｂ）】単一の構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図１（ｃ）】単一の構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図２（ａ）】単一の構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図２（ｂ）】単一の構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図２（ｃ）】単一の構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図３（ａ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図３（ｂ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図３（ｃ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図４（ａ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図４（ｂ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図４（ｃ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図５（ａ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図５（ｂ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図５（ｃ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図６（ａ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図６（ｂ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図６（ｃ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図７（ａ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図７（ｂ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図７（ｃ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図８（ａ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図８（ｂ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図８（ｃ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図９（ａ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図９（ｂ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図９（ｃ）】２つの構造フィルム層を有する組立体を示す、本発明の典型的な代替実施態様の側方横断面図である。
【図１０（ａ）】本発明の典型的な実施態様の上面図である。
【図１０（ｂ）】本発明の典型的な実施態様の上面図である。
【図１１（ａ）】組立体がガス拡散媒体を含む、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図１１（ｂ）】組立体がガス拡散媒体を含む、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図１１（ｃ）】組立体がガス拡散媒体を含む、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図１２】組立体がシールガスケットを含む、本発明の典型的な実施態様の側方横断面図である。
【図１３（ａ）】構造フィルム層を有する本発明物を作る製造方法の一実施態様を模式的に示す図である。
【図１３（ｂ）】構造フィルム層を有する本発明物を作る製造方法の一実施態様を模式的に示す図である。
【図１４（ａ）】構造フィルム層を有する本発明物を作る製造方法の他の実施態様を模式的に示す図である。
【図１４（ｂ）】構造フィルム層を有する本発明物を作る製造方法の他の実施態様を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、膜と同じ広がりをもつすなわち膜の全面を覆う電極を、１つ又は両方の電極の面の外側領域と重なり合う構造フィルム層と組み合わせて備える組立体に具現化されている。本明細書で使用する「構造フィルム層」とは、硬い非エラストマーの固体を意味する。構造フィルム層は圧縮性をほとんど示さない。その機能はシールを行うことではない。本明細書で使用する非エラストマーポリマーは、室温で元々の長さの少なくとも２倍に繰り返し伸長させた後に、その元々の長さまで実質的に戻らないポリマーである。本明細書で使用する「重なり合う」とは、構造フィルム層が、１つ又は両方の電極の面の外側領域の一部の上にあり、そしてその部分を覆っていることを意味する。
【００１７】
本発明の典型的な実施態様の横断面を図１（ａ）に示す。そこでは、構造フィルム層１４と合わさったＣＣＭ１１を備える組立体１０が示されている。この構造の２つの異なる典型的な実施態様を、構造フィルム層とＣＣＭの重なり合う領域の一側面を拡大して、図１（ｂ）及び１（ｃ）に示す。図１（ｂ）ではＣＣＭ１１は膜１２並びに２つの電極１３及び１３’を含む。構造フィルム層１４は電極１３と重なり合い結合している。図１（ｃ）では構造フィルム層１４は電極１３の外側領域に吸収されている。吸収された領域１６は、（図に示すように）外側領域の一部のみを含んでもよく、電極の面から電極−膜界面まで重なり合う構造フィルム材料の外側領域全体を含んでもよい（不図示）。図１（ｂ）と１（ｃ）に示す実施態様の違いの１つは、前者では電極１３の端面が実質的に開放しており、一方後者ではその端面が構造フィルム材料で部分的に又は全体的に覆われていることである。
【００１８】
図２は本発明の他の典型的な実施態様を示す。組立体１０は接着剤１５を使用することにより構造フィルム層１４と合わさっている。この構造の２つの異なる典型的な実施態様を、構造フィルム層とＣＣＭの重なり合う領域の一側面を拡大して、図２（ｂ）及び２（ｃ）に示す。図２（ｂ）ではＣＣＭ１１は膜１２並びに２つの電極１３及び１３’を含む。構造フィルム層１４は電極１３と重なり合い接着剤１５によって結合している。図２（ｃ）では接着剤１５は電極１３’の外側領域に吸収されている。吸収された領域１８は、（図に示すように）外側領域の一部のみを含んでもよく、電極の面から電極−膜界面まで重なり合う構造フィルム材料の外側領域全体を含んでもよい（不図示）。これらの実施態様では、接着剤の量とタイプに加えて使用する加工条件を適宜制御して、ＣＣＭ１１の端面の被覆量を操作することができる。言い換えると、接着剤が電極１３の端面をほとんど又は全く覆わないようにもでき、電極１３の端面の全て又はその一部のみを覆うようにもできる。さらに、十分な接着剤を使用すれば、膜の端面、さらには反対側の電極１３’の端面を覆うこともできる。好ましい実施態様では、組立体の１つの側から他の側へガスが内部リークすることを防ぐことから、少なくとも電極１３の端面が完全に覆われている。ガスのリークを防止することが本発明の利点である。ガスシール手段は接着剤自体であってもよく、電極に構造フィルム層を吸収させることでもよい。「ガスシール」とは、少なくとも１つの実質的に非孔質の固体によって、反応物質と酸化性ガスが分離されていることを意味する。また、ＭＥＡに接着剤をさらに機械的に固定することが望ましい場合、電極の重なり合い領域の中に穴を配置してもよく、例えば表面をローレット加工することにより電極の重なり合い領域に表面粗さを付加してもよい。
【００１９】
燃料電池でカソード又はアノードのどちらとして使用されるかにより、必要に応じて、図１〜２に示す電極１３及び１３’の組成を異なるものにしてもよい。図１〜２に示す構造フィルム層１４を、アノードとして使用される電極の上、又はカソードとして使用される電極の上に配置することができる。接着剤が結合に使用される場合（図２）、接着剤が構造フィルム層の反対側の面に存在してもよい。構造フィルム層が両方の表面に接着剤を有する実施態様では、各表面で接着剤の組成が同じである必要はない。
【００２０】
本発明の追加実施態様を図３〜９に示す。これらの実施態様では、２つの構造フィルム層を使用する。図３では２つの構造フィルム層１４及び１４’が、それぞれがほぼ同じ量で対応する電極に重なり合うように、ＣＣＭ１１の第１及び第２電極１３及び１３’の両方に取り付けられている。図３（ｂ）に示す実施態様では構造フィルム層は電極に吸収されていない。一方で、図３（ｃ）に示す実施態様ではある領域１６で構造フィルム層が電極に吸収されている。これらの実施態様では、小さいすき間１９が必要に応じて存在してもよい。すき間の存在及び大きさは、構造フィルム層を電極に結合する工程の性質及び構造フィルム層の組成に左右される。より低温で流動する傾向が高い、より低融点の熱可塑性ポリマーでそうであるように、熱及び圧力を高めるとすき間の体積が減少する。また、電極に吸収させるとすき間が減る傾向がある。図３（ｃ）では、吸収された部分１６は、（図に示すように）外側領域の一部のみを含んでもよく、電極の面から電極−膜界面まで重なり合う構造フィルム材料の外側領域全体を含んでもよい（不図示）。２つの電極１３及び１３’に吸収させる範囲は、必要であれば異なっていてもよい。
【００２１】
図４では、接着剤１５が使用されて、２つの構造フィルム層がそれらの対応する電極に結合される。図４（ｂ）では２つの構造フィルム層１４及び１４’が、それぞれがほぼ同じ量で対応する電極に重なり合うように、接着剤１５を用いて膜１２の第１及び第２電極１３及び１３’の両方に取り付けられている。図４（ｂ）に示す実施態様では構造フィルム層は電極に吸収されておらず、一方で図４（ｃ）に示す実施態様では吸収されている。図４（ｃ）では、吸収された部分１８は、（図に示すように）外側領域の一部のみを含んでもよく、電極の面から電極−膜界面まで重なり合う構造フィルム材料の外側領域全体を含んでもよい（不図示）。２つの電極１３及び１３’に吸収させる範囲は、必要であれば異なっていてもよい。
【００２２】
本発明のさらなる実施態様を図５に示す。この実施態様では、２つの構造フィルム層を使用したときに、重なり合いが同一である必要がないことを示す。この実施態様は、構造フィルム層１４’の重なり合いが構造フィルム層１４の重なり合いと比べて少ないことを除き、図３に示したものと同様である。この実施態様の他の特徴は、図３について説明したものと同様である。
【００２３】
本発明のさらなる実施態様を図６に示す。この実施態様では、結合を高めるために接着剤を存在させたときに２つの構造フィルム層を使用した場合、重なり合いが同一である必要がないことを示す。この実施態様は、構造フィルム層１４’の重なり合いが構造フィルム層１４の重なり合いと比べて少ないことを除き、図４に示したものと同様である。この実施態様の他の特徴は、図４について説明したものと同様である。
【００２４】
本発明のさらなる実施態様を図７に示す。ここでは、第２構造フィルム層１４’が第２電極１３’と全く重なり合っておらず、ＣＣＭ１１の端面に対して突き合わされていて、第１構造フィルム層１４と結合している。第１構造フィルム層を、電極に部分的に吸収させる（図７（ｃ）の１８）、完全に吸収させる（不図示）、又は全く吸収させない（図７（ｂ））ことが可能である。
【００２５】
図８及び９に示す本発明のさらなる実施態様では、第２構造フィルム層は第２電極１３’の外側部分を覆っておらず、接着剤１５で第１構造フィルム層１４に結合されている。結合に使用する接着剤を、第１電極に部分的に吸収させる（図８（ｃ）及び図９（ｃ）の１８）、完全に吸収させる（不図示）、又は全く吸収させない（図８（ｂ）及び９（ｂ））ことが可能である。必要に応じて、接着剤は第１電極の外側部分も覆わずに、第１及び第２構造フィルム層の間のみに存在していてもよい。さらに、第２構造フィルム層１４’は、図８に示すようにＣＣＭ１１の端面に対して突き合わされてもよく、図９に示すようにＣＣＭ１１の端面に近接していてもよい。後者の場合、ＣＣＭと第２構造フィルム層の間のギャップ１９を接着剤が満たすことが好ましいが、必須ではない。
【００２６】
２つの構造フィルム層が存在する図３〜９に示された実施態様では、２つの層が同じ組成である必要はないが、同じであることが好ましい。さらに、これらの実施態様で結合に接着剤を使用する場合、接着剤は、２つの構造フィルム層のうち１つに存在していれば充分である。代わりに２つの構造フィルム層の一方又は両方の表面に接着剤が存在してもよい。構造フィルム層が両方の表面に接着剤を有する実施態様では、各表面で組成が同じである必要はない。さらに、２つの構造フィルム層に使用する組成は、必要であれば異なっていてもよい。
【００２７】
本発明により製造される組立体の好適な形状は実質的に長方形であるが、必要であれば、円形、楕円形又は他の異形の領域を含む、任意の領域を使用することもできる。４つの定義可能な辺を有する実質的に長方形の組立体については、ＣＣＭ１１の上面から構造フィルム層１４を有する組立体１０の上面を見下ろした平面図で図１０（ａ）に図示するように、構造フィルム層は４つの全ての辺に存在することが好ましい。本発明の他の実施態様では、構造フィルム層１４の２つのストリップを、図１０（ｂ）に示すようにＣＣＭ１１の対向する辺のみに存在する構造フィルム層を完成した組立体が有するように使用してもよい。本明細書で使用する「対向する辺」とは、互いに実質的に反対にある辺を意味する。長方形の組立体については、対向する辺は図１０（ｂ）に示すように互いに実質的に平行であるが、非長方形の場合はそうでなくてもよい。
【００２８】
本発明における組立体には、公知の高分子電解質膜、例えば以下に限られないが、フェノール硫酸；ポリスチレンスルホン酸；フッ素化スチレンスルホン酸；全フッ素化スルホン酸；スルホン化ポリ（アリールエーテルケトン）；フタラジノン及びフェノール基、並びに少なくとも１種のスルホン化芳香族化合物を含むポリマー；ポリマー骨格に１又は複数のイオン性の酸性官能基が結合している、芳香族エーテル、イミド、芳香族イミド、炭化水素又は全フッ素化ポリマーを含む組成物を使用することができる。そのようなイオン性の酸性官能基として、以下に限られないが、スルホン酸基、スルホンイミド基又はホスホン酸基を挙げることができる。さらに、イオン交換材料は、複合膜を形成する補強材を必要に応じてさらに含んでもよい。補強材はポリマー材料であることが好ましい。ポリマーは、ポリマーフィブリル及び必要に応じてノードからなる多孔質微細構造を有する微多孔質膜であることが好ましい。そのようなポリマーは好ましくは延伸ポリテトラフルオロエチレンであるが、その代わりに以下に限られないがポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィンを含んでもよい。イオン交換材料は膜全体に含浸されており、ここでイオン交換材料は微多孔質膜に実質的に含浸されて、Ｂａｈａｒらの米国再発行特許第３７３０７に実質的に記載されているように膜の内部体積を実質的に閉塞し、それによって複合膜を形成する。特に好適な膜はＷ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓから入手可能なＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）イオノマー膜である。
【００２９】
図１〜９の電極１３及び１３’は公知の任意の組成であってよく、例えば以下に限られないが、酸素の還元又は燃料の酸化のための触媒として作用しうる白金又は他の貴金属をを含む電極であり、さらに様々な他の構成要素例えばイオノマー、気孔又は他の種類のものを含んでもよい。特に好適な電極は、炭素に担持された白金又は白金合金とペルフルオロスルホン酸ポリマーを含有する多孔質複合電極である。
【００３０】
構造フィルム層の組成には、以下に限られないが、様々な熱可塑性ポリマー又は熱硬化性ポリマー例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）；非多孔質ポリプロピレン；ポリスチレン；硬質ポリ塩化ビニル；ポリイミド；アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）共重合体；ポリアミド；アクリル樹脂；アセタール樹脂；硬質セルロース；ポリカーボネート；ポリエステル；フェノール樹脂；尿素−メラミン樹脂；エポキシ樹脂；ウレタン樹脂；フッ素系熱可塑性ポリマー例えばＦＥＰ（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンのポリマー）もしくはＴＨＶ（テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン及びフッ化ビニリデンのターポリマー）及びガラス充填シリコーン熱硬化性樹脂；金属箔例えばアルミニウム箔、金箔、銀箔など；又はセラミックス例えばアルミナ、シリカなどの薄層が含まれてもよい。
【００３１】
好適な構造フィルム層はポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）材料である。周知であるように、ＰＥＮ材料は必要であれば結合力を高めるプライマーを表面に有してもよい。構造フィルム層の厚さは約０．０７５ｍｍ（０．００３インチ）未満であることが好ましい。また、構造フィルム層は、電極への結合を促進する接着剤をその内部又はその表面の少なくとも１つに有してもよい。任意の適当な接着剤を使用できるが、フッ素系熱可塑性樹脂例えばテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン及びフッ化ビニリデンのターポリマー（例えばＤｙｎｅｏｎ（商品名）ＴＨＶフッ素系熱可塑性樹脂）が好ましい。構造フィルム層の両側に接着剤が必要な場合、それぞれの側に使用する組成は異なっていてもよい。例えば、一方の側に他方の側より高い融点の接着剤を設けて、２つの構造フィルム層を使用する多段階の製造工程を補助することが望ましい場合がある。接着剤は、公知の標準的な工程例えば以下に限られないが積層、押出又はディップコーティングを用いて、構造フィルム層に適用することができる。
【００３２】
本発明の組立体は、必要であれば追加の構成要素、例えば以下に限られないが、１つ又は両方の電極にあるガス拡散層、及び／又は、電極、１もしくは複数の構造フィルム層、もしくはガス拡散層が存在する場合はガス拡散層に適用された、シール材料を含んでもよい。例えば、図１〜９に図示された実施態様のそれぞれにおいて、１つ又は両方の電極にガス拡散層を適用することができる。これらの実施態様を説明する２つの特定実施態様が図１１に示されており、そこではガス拡散層２００がＣＣＭ１１の上面及び下面に適用されている。図１１（ａ）は単一の構造フィルム層を有する一実施態様を図示し、一方図１１（ｂ）は２つの構造フィルム層を有する実施態様を図示する。両方の場合において、接着剤１５が構造フィルム層の両方の表面に適用されている。接着剤は必須ではないが組立体へのガス拡散層の結合を促進するため好ましい。示されているように構造フィルム層はガス拡散層を越えて延在するが、ガス拡散層と同一の広がりであってもよい。あるいは図１１（ｂ）の場合、１つの構造フィルム層がガス拡散層と同一の広がりであってよく、他方はそうでなくてもよい。また、所望であれば、接着層は必要に応じてガス拡散層の中に浸潤していてもよい（図１１には不図示）。図１１に示す実施態様では、ＣＣＭとガス拡散層の間のギャップ２０１が示されている。所望であればこのギャップの範囲は最小にできる及び／又は制御できる。ガス拡散層はいくらか柔軟であって圧力を与えた場合配置中にギャップを満たす傾向があることがその理由である。あるいは、比較的大きい圧力が与えられる燃料電池の組み立て中にギャップは一般に減少する。また、ガス拡散層がＣＣＭのみと接触し構造フィルム層と重なり合わないように、図１１（ｃ）に示すようにガス拡散層の大きさを小さくすることによって、所望であればギャップをなくすこともできる。
【００３３】
図１〜１１に示す本発明の実施態様のそれぞれにおいて、追加のシールが必要であれば、ガスケットを組立体の外側に配置又は成形することができる。ガスケットは構造フィルム層と同一の広がりであってよく、又は構造フィルム層の端面を覆ってもよく、あるいは構造フィルム層がガスケットを越えて延在してもよい。本明細書に記載する本発明の実施態様は、シールガスケットを成形するために特に望ましい。構造フィルム層がＣＣＭ及び／又はガス拡散層を越えていることがその理由である。こうして成形用のしっかりした硬い表面が提供され、それによって成形工程がさらに容易になりその生産量が増大する。その上、成形面はＣＣＭの活性領域から遠く離れており、そのため成形工程中にＣＣＭを損傷する可能性が最小限に抑えられる。
【００３４】
構造フィルム層及び／又は接着剤が少なくとも１つの電極及び／又は膜の端面をシールしない実施態様において、ガスケットが必要となる場合がある。そのような状況では、ガスケットはアノードガス室とカソードガス室の間のガス漏れを防ぐのに必要なシールを提供することができる。１つの説明例を図１２に示し、そこでは本発明の実施態様について一つの端面が横断面で示されている。ガスケット２０が構造フィルム層の上に成形され、ＣＣＭ１１の端面をシールしてガスのクロスオーバーを防いでいる。
【００３５】
図１３は、図１及び２に図示されたもののような本発明の典型的な実施態様による、１０５で端面が示され上からの平面図において１０５’で示される組立体の製造工程を説明するものである。膜とその膜の少なくとも１つの表面を実質的に覆う少なくとも１つの電極とを備える触媒化された膜組立体１０１が、第１の膜スプール１００から払い出される。次に、この膜組立体が１０２で所望の完成組立体幅に切断されて、完全に触媒化された膜組立体（ＦＣＭＡ）１０３が製造され、それは次にロール１０４の上に巻き取られる。次に、ＦＣＭＡは図１３（ｂ）に示すように構造フィルム層と合わせられる。図１３（ｂ）に示す製造工程は図１３（ａ）に示すものと分けて示されているが、所望であればこれらの工程を一緒にインラインで行うこともできる。構造フィルム層１１０はロール１０９から巻き戻され所望の形状にダイカットされて、内部に窓を有する構造フィルム層１１２が製造される。上述したように、構造フィルム層１１０は所望であれば片側に接着剤を備えていてもよい。次に、構造フィルム層は、１１４である長さに切断することによりロール１０８から１３（ａ）で用意されたようなＦＣＭＡ１０７に積層され、その切断された小片はローラー１１３を通過した構造フィルム層１１２にローラー１１５で移送される。所望であればローラー１１３を予備加熱する（又はオーブン内に置く）ことができ、構造フィルム層の粘着性を高めて移送工程中に結合を改善することができる。次に、構造フィルム層の窓の上に配置されたＦＣＭＡを有する組立体１１６は、必要に応じてローラー１１７を用いてさらに積層される。ここでも所望であれば積層工程中に熱を使用することができる。最後に、構造フィルム層１１８が取り付けられたＦＣＭＡがカッター１１９で完成長さに切断されて個別部品が製造される。
【００３６】
図１４は、図１及び２に図示されたもののような本発明の典型的な実施態様による、端面図において１２８で示され上からの平面図において１２８’で示される組立体を製造するための、別の工程を説明するものである。膜とその膜の少なくとも１つの表面を実質的に覆う少なくとも１つの電極とを備える触媒化された膜組立体１０１が、第１の膜スプール１００から払い出される。次に、この膜組立体が１０２で所望の完成組立体幅に切断されて、完全に触媒化された膜組立体（ＦＣＭＡ）１０３が製造される。次に、ＦＣＭＡはカッター１２０を用いて個別部品１２１へと切断される。カッター１２０は公知の任意の種類のカッター、例えば以下に限られないが、ロータリーダイカッター、鋼尺ダイカッター、マッチドダイ装置、レーザーカッター、又はスリット・トリムカッターを含んでもよい。次に、収集したＦＣＭＡ部品１２１（平面図において１２１’で示す）は、図１４（ｂ）に示すように構造フィルム層と合わせられる。図１４（ｂ）に示す製造工程は図１４（ａ）に示すものと分けて示されているが、所望であればこれらの工程を一緒にインラインで行うこともできる。構造フィルム層１２３は、ロール１２２から巻き戻され、１２５として端面が示され上からの平面図において１２５’として示される、別個の「窓枠」部品へとカッター１２４で切断される。カッター１２４は公知の任意の種類のカッター、例えば以下に限られないが、ロータリーダイカッター、鋼尺ダイカッター、マッチドダイ装置、レーザーカッター、又はスリット・トリムカッターを含んでもよい。上述したように、構造フィルム層１２３は所望であれば片側に接着剤を備えていてもよい。構造フィルム層部品１２５は、位置決め固定具１２６でＦＣＭＡ部品１２１と合わせられる。次に、個々の部品は積層工程１２７で結合されて、端面図において１２８及び平面図において１２８’として図示される完成部品が製造される。
【００３７】
本発明のさらなる実施態様は、図３〜９に記載したような、２つの構造フィルム層を用いる組立体を製造するための工程を含む。これらの工程は図１３又は図１４のいずれかに概要を示した段階に従うが、第２の構造フィルム層が第１の構造フィルム層と反対側でＣＣＭに合わせられる点で異なる。例えば、図１３に概要を示した工程を用い、第２の構造フィルム層を、それぞれ１０９、１１１、１１３と同様の第２のロール、カッター及びローラーを用いて導入し、１１４から出てくる切断されたＣＣＭを２つの構造フィルム層の間に１１５で配置することが考えられる。この工程で使用する２つの構造フィルム層は、窓を同じ大きさにして図３〜４に図示したような組立体を製造するように切断してもよく、窓を異なる大きさにして図５〜９に図示したような組立体を製造するように切断してもよい。
【００３８】
代わりに、２つの構造フィルム層１２３をＣＣＭ１２２毎に製造することを除いて、図１４の製造工程を直接使用してもよい。位置決め固定具は、２つの構造フィルム層１２３の間にＣＣＭ１２２を配置するように変更される。ここでも、この工程で使用する２つの構造フィルム層は、窓を同じ大きさにして図３〜４に図示したような組立体を製造するように切断してもよく、窓を異なる大きさにして図５〜９に図示したような組立体を製造するように切断してもよい。
【００３９】
説明した全ての実施態様において、構造フィルムによって顕著な改善がもたらされる。それは上述したように組立体を保護し構造的な支持を提供し、そのためより耐久性が高く長持ちする燃料電池用組立体が製造される。さらに、構造フィルム層及びそれを使用して組立体を製造する対応する工程を用いることによって、高価な電極材料の材料利用度が高まり、それによって製造コストが減少する。そして、説明した実施態様に示されるように構造フィルム層を使用することにより、大量に高い歩留りで組立体を製造することができ、組立体のコストを低減できる。
【実施例】
【００４０】
例１
本発明による完全に触媒化された膜組立体を以下のように調製した。
１）Ｐｔ担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ2のカソード及びアノードを備え膜厚が１８マイクロメートルのシリーズ５５１０膜電極組立体（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ、Ｅｌｋｔｏｎ、ＭＤから入手可能）を、鋼尺ダイを用いて寸法５１×５３ｍｍにダイカットした。
２）窓は鋼尺ダイを用いてＤｙｎｅｏｎ（商品名）フッ素系熱可塑性樹脂から製造したＴＨＶ２２０Ｇフィルムからなる１０２マイクロメートル（０．００４インチ）厚の小片にダイカットした。窓は以下の寸法を有していた：内部窓＝４８×４６ｍｍ、外縁＝９０×１００ｍｍ。
３）ＭＥＡを、寸法１３０×１５０ｍｍに切断されたポリイミドフィルム（カプトン（登録商標）フィルム）からなる１２７マイクロメートル（０．００５インチ）厚の小片の中央に配置した。
４）次に、ＭＥＡが周囲全体でおよそ２．５ｍｍの重なり合いを有するように、ＴＨＶの内部窓を目視でＭＥＡに位置合せした。さらに、組立体を寸法１３０×１５０ｍｍに切断された１２７マイクロメートル（０．００５インチ）厚の別のポリイミドフィルム片で覆った。
５）次に、ＭＥＡを上向きにして、組み立てたこれらの小片を移送プレートの上に置いた。移送プレートは、辺の寸法が１２×１２インチで、上面に３／１６インチ厚のシリコーンパッド（ＭＳＣ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｕｐｐｌｙ、製品番号３１９３８７３１）が載せられた１／８インチ厚のアルミニウムベースからなっていた。１２７マイクロメートル（０．００５インチ）厚のポリイミドシートを上側のパッド面に置いて、部品をゴムから隔離した。
６）組立体全体を、圧力およそ１００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）で、１８０℃に加熱した上部定盤を用い、およそ１０秒間、加熱した定盤プレス（ＰＨＩ、製品番号Ｑ２３０Ｈ）の中に配置した。
７）プレスサイクルが完了したら、部品を取り出して冷却した。ポリイミドカバーシートを取り除くと、うまく調製できた完全に触媒化された膜組立体（ＦＣＭＡ）が現れた。
【００４１】
得られた製品は、構造フィルム層がＭＥＡに結合してＭＥＡに構造的支持を付与していることを示していた。
【００４２】
例２〜３
これらの２つの例では、フッ素系熱可塑性樹脂の厚さを変化させて本発明のＦＣＭＡを調製できることを説明する。段階２で使用したＴＨＶフィルムをスクリュー押出により自社で調製して、例２については厚さ３８マイクロメートル（０．００１５インチ）、例３については厚さ２５マイクロメートル（０．００１インチ）としたことを除き、例１の手順に従って製品を調製した。両方の場合において製品はうまく調製された。ＴＨＶはＭＥＡに結合してＭＥＡに構造的支持を付与した。
【００４３】
例４〜８
これらの例では、様々な異なる熱可塑性材料を用いて本発明の製品を調製できることを説明する。例４〜８において、１０２マイクロメートル（０．００４インチ）厚のＴＨＶ５００フィルム（３Ｍ、Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ、ＭＮ）、７６マイクロメートル（０．００３インチ）厚のＰＶＤＦフィルム（Ａｊｅｄｉｕｍ  Ｆｉｌｍ  Ｇｒｏｕｐ、Ｎｅｗａｒｋ、ＤＥ）、２５４マイクロメートル（０．０１０インチ）厚の変性ポリフェニレンオキシド材料（Ｎｏｒｙｌ（登録商標）ＥＮ−２６５フィルム、Ａｊｅｄｉｕｍ  Ｆｉｌｍ  Ｇｒｏｕｐ、Ｎｅｗａｒｋ、ＤＥ）、１２７マイクロメートル（０．００５インチ）厚の別の変性ポリフェニレンオキシド材料（Ｎｏｒｙｌ（登録商標）Ｎ３００Ｘフィルム、Ａｊｅｄｉｕｍ  Ｆｉｌｍ  Ｇｒｏｕｐ、Ｎｅｗａｒｋ、ＤＥ）、及び２５マイクロメートル（０．００１インチ）厚のＥＦＥＰフィルムを例１のＴＨＶ２００Ｇとそれぞれ置き換えた以外は、例１に記載した手順を使用した。それぞれの場合において製品がうまく調製された。熱可塑性材料はＭＥＡにうまく結合しており、ＭＥＡに支持を付与した。
【００４４】
例９
構造フィルム層を完全に触媒化した膜電極組立体に結合する接着剤を用いた本発明のさらなる実施態様を以下のように調製した。
１）Ｐｔ担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ2のカソード及びアノードを備え膜厚が１８マイクロメートルのシリーズ５５１０膜電極組立体（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ、Ｅｌｋｔｏｎ、ＭＤ）を、鋼尺ダイを用いて寸法５１×５３ｍｍにダイカットした。
２）１０２マイクロメートル（０．００４インチ）厚のＤｙｎｅｏｎ（商品名）フッ素系熱可塑性樹脂ＴＨＶ２２０Ｇフィルム（３Ｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ、ＭＮ）の小片を、２５マイクロメートル（０．００１インチ）厚のＰＥＮ（Ｔｅｏｎｅｘ（登録商標）Ｑ５１ＤＷ、ＤｕＰｏｎｔ  Ｔｅｉｊｉｎ  Ｆｉｌｍｓ、Ｈｏｐｅｗｅｌｌ、ＶＡから入手）の小片に、８×１２インチのＴＨＶフィルムの小片を０．００５インチ厚のポリイミドフィルム層によって囲まれた同じ大きさのＰＥＮフィルムの上に置くことにより、加熱した定盤プレスの中で積層した。この組立体を例１に記載したように移送プレートの上に置き、例１に記載したように加熱した定盤プレスの中におよそ１０秒間置いた。上部定盤はおよそ１４０℃に加熱され、締付圧は１００ｐｓｉに設定された。サイクルが完了したら、材料を取り出して冷却した。冷却した後ポリイミドフィルムを剥がすと積層複合体が現れた。
３）段階２の積層複合体は鋼尺ダイを用いて次の寸法にダイカットした：内部窓＝４８×４６ｍｍ、外縁＝９０×１００ｍｍ。
４）ＭＥＡを、寸法１３０×１５０ｍｍに切断されたポリイミドフィルムからなる０．００５インチ厚の小片の中央に配置した。
５）次に、ＭＥＡが周囲全体でおよそ２．５ｍｍの重なり合いを有するように、積層フィルムの内部窓を目視でＭＥＡに位置合せした。さらに、組立体を寸法１３０×１５０ｍｍに切断された０．００５インチ厚の別のポリイミドフィルム片で覆った。
６）次に、ＭＥＡを上向きにして、組み立てたこれらの小片を例１のように移送プレートの上に置いた。
７）組立体全体を、圧力１００ｐｓｉで、１８０℃に加熱した上部定盤を用い、およそ１０秒間、加熱した定盤プレス（ＰＨＩ、製品番号Ｑ２３０Ｈ）の中に配置した。
８）プレスサイクルが完了したら、部品を取り出して冷却した。ポリイミドカバーシートを取り除くと枠付きのＭＥＡが現れた。
【００４５】
得られた製品は、構造フィルム層がＭＥＡに完全に結合してＭＥＡに構造的支持を付与していることを示していた。
【００４６】
例１０
構造フィルム層をＭＥＡに積層する前に、鋭い器具を用いて縁部領域内に多数の小さい穴を不規則に配置した以外は、例９のように本発明の製品を製造した。得られた製品は、構造フィルム層がＭＥＡに完全に結合してＭＥＡに構造的支持を付与していることを示していた。
【００４７】
例１１
ＭＥＡの両側に構造フィルム層を用いた本発明の追加実施態様を以下のように製造した。
１）Ｐｔ担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ2のカソード及びアノードを備え膜厚が１８マイクロメートルのシリーズ５５１０膜電極組立体（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ、Ｅｌｋｔｏｎ、ＭＤ）を、鋼尺ダイを用いて寸法５１×５３ｍｍにダイカットした。
２）２枚の１０２マイクロメートル（０．００４インチ）厚のフッ素系熱可塑性樹脂（Ｄｙｎｅｏｎ（商品名）フッ素系熱可塑性樹脂ＴＨＶ２２０Ｇ、３Ｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ、ＭＮ）の小片を、鋼尺ダイを用いて次の寸法にダイカットした：内部窓＝４８×４６ｍｍ、外縁＝９０×１００ｍｍ。
３）ＴＨＶ材料の第１層を、寸法１３０×１５０ｍｍに切断されたポリイミドフィルムからなる１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚の小片の上に配置した。次に、ＭＥＡが周囲全体でおよそ２．５ｍｍの重なり合いを有するように、ＭＥＡをＴＨＶフィルムの内部窓に目視で位置合せした。次に、再びＭＥＡが周囲全体でおよそ２．５ｍｍの重なり合いを有するように、ＴＨＶの第２層をＭＥＡに目視で位置合せした。
４）組立体全体を寸法１３０×１５０ｍｍに切断された１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚の別のポリイミドフィルム片で覆った。
５）組み立てたこれらの小片を移送プレートの上に置き（例１を参照）、圧力１００ｐｓｉで、１８０℃に加熱した上部定盤を用い、およそ１０秒間、加熱した定盤プレス（ＰＨＩ、製品番号Ｑ２３０Ｈ）の中に移動させた。
６）プレスサイクルが完了したら、部品を取り出して冷却した。ポリイミドカバーシートを取り除くと枠付きのＭＥＡが現れ、これは構造フィルム層がＭＥＡ及び互いに結合してＭＥＡに支持を付与していることを示していた。
【００４８】
例１２
ＴＨＶフッ素系熱可塑性樹脂が上面に適用されたＰＥＮ支持層を有する以外は、例１１と同様に製品を製造した。ＭＥＡを２つの構造フィルム層の間に配置した後、組立体を加熱したローラーの間に通すことによって積層を行った。ＭＥＡは構造フィルム層に結合され、それらの層はＭＥＡに支持を付与した。
【００４９】
例１３
接着剤を使用することによりＭＥＡへ結合された、２つの構造フィルム層を用いた製品を以下のように製造した。
１）Ｐｔ担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ2のカソード及びアノードを備え膜厚が１８マイクロメートルのシリーズ５５１０膜電極組立体（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ、Ｅｌｋｔｏｎ、ＭＤ）を、鋼尺ダイを用いて寸法５１×５３ｍｍにダイカットした。
２）１０２マイクロメートル（０．００４インチ）厚のＴＨＶ２２０Ｇを、例２で使用したのと同じ手順でＰＥＮフィルムに積層した。この例では、２つのほぼ同一の小片を調製した。
３）段階２で調製した２つの小片を、両方とも次の寸法に鋼尺ダイで切断した：内部窓＝４８×４６ｍｍ、外縁＝９０×１００ｍｍ。
４）ＭＥＡを１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚のポリイミドからなるカバーシートの上に置き、周囲全体でおよそ２．５ｍｍの重なり合いとなるよう、枠の１つをＭＥＡに目視で位置合せした。次に、このレイアップを１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚の別のポリイミドシートで覆い、ＭＥＡを上向きにして例１に記載したように移送プレートの上に置いた。
５）部品を圧力５０ｐｓｉ、定盤温度およそ１５０℃で、およそ５秒間ヒートプレスした。
６）サイクルが完了したらレイアップをプレスから取り出して冷却した。次に、部品のＭＥＡ側にあるポリイミドシートを剥がした。
７）段階２の第２の枠を、ＴＨＶがＭＥＡに向かうようにして、ＭＥＡに目視で位置合せした。位置合せは、周囲全体で２．５ｍｍの重なり合いとなるように、枠の内部窓をＭＥＡの外縁に見当合せすることからなっていた。
８）１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚の別のポリイミドシートを新たに配置した枠の上に置いた。
９）組立体全体を例１に記載したように移送プレートの上に置き、加熱した定盤プレスの中に配置した。
１０）部品を圧力１００ｐｓｉ、定盤温度およそ１８０℃で、およそ１０秒間ヒートプレスした。
１１）プレスサイクル後、レイアップをプレスから取り出し、空冷して、ポリイミドシートから剥がした。
【００５０】
得られたＭＥＡは構造フィルム層に結合し、それらの層はＭＥＡに支持を付与した。
【００５１】
例１４
この例では本発明の別の実施態様を製造する。ここでは結合が接着剤による２つの構造フィルム層を用いているが、構造フィルム層は１つのみが電極と重なり合っている。手順は以下の通りであった。
１）Ｐｔ担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ2のカソード及びアノードを備え膜厚が１８マイクロメートルのシリーズ５５１０膜電極組立体（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ、Ｅｌｋｔｏｎ、ＭＤ）を、鋼尺ダイを用いて寸法５１×５３ｍｍにダイカットした。
２）１０２マイクロメートル（０．００４インチ）厚のＴＨＶ２２０Ｇフィルムを、例９の段階２に記載したようにＰＥＮに積層した。
３）２５マイクロメートル（０．００１インチ）厚のＰＥＮフィルムを、次の寸法に鋼尺ダイで切断した：内部窓＝５５×５６ｍｍ、外縁＝９０×１００ｍｍ。
４）ＰＥＮ単体をＰＥＮ＋ＴＨＶ積層体のＴＨＶ側に置くことにより、段階３のＰＥＮ層を段階２の層に積層した。次に、この組立体を２片の１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚のポリイミドシートの間に配置し、ＰＥＮ単体を上に向けて移送プレートの上に置いた。次に、このレイアップを、圧力１００ｐｓｉ、上部定盤温度１８０℃でおよそ５秒間、定盤プレスの中に配置した。サイクルが完了したら、部品を取り出して冷却した。ポリイミドカバー層を組立体から剥がすと積層されたレイアップが現れた。
５）次に、段階４の組立体を、次の寸法に鋼尺ダイを用いてダイカットした：外周９０×１００ｍｍ、内部窓４６×４８ｍｍ。
６）ＭＥＡを１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚のポリイミドカバーシートの上に置き、段階５の枠とＭＥＡの重なり合いがおよそ２．５ｍｍとなるように、枠をＭＥＡに位置合せした。次に、このレイアップを１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚の別のポリイミドシートで覆い、ＭＥＡを上向きにして移送プレートの上に置いた。
７）部品を圧力１００ｐｓｉ、定盤温度およそ１８０℃で、およそ１０秒間ヒートプレスした。
８）サイクルが完了したら、レイアップをプレスから取り出して空冷した。次に、ポリイミドシートを組立体から剥がした。
【００５２】
得られたＭＥＡは構造フィルム層に結合し、それらの層はＭＥＡに支持を付与した。
【００５３】
例１５
ガス拡散層が組立体に適用された本発明の別の製品を、この例で以下のように調製した。
１）Ｐｔ担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ2のカソード及びアノードを備え膜厚が１８マイクロメートルのシリーズ５５１０膜電極組立体（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ、Ｅｌｋｔｏｎ、ＭＤ）を、鋼尺ダイを用いて寸法５１×５３ｍｍにダイカットした。
２）１０２マイクロメートル（０．００４インチ）厚のＴＨＶ２２０Ｇフィルムの小片を、２５マイクロメートル（０．００１インチ）厚のＰＥＮの小片に積層した。積層は、８×１２インチのＴＨＶフィルムの小片を０．００５インチ厚のポリイミドフィルム層によって囲まれた同じ大きさのＰＥＮフィルムの上に置くことにより、加熱した定盤プレスの中で行った。この組立体を移送プレートの上に置き（例１を参照）、加熱した定盤プレスの中におよそ１０秒間挿入した。上部定盤はおよそ１４０℃に加熱され、締付圧は１００ｐｓｉに設定された。サイクルが完了したら、材料を取り出して冷却した。冷却した後ポリイミドフィルムを剥がすと、片側が積層された複合体が現れた。ここで、ＴＨＶの別の小片をレイアップの反対側に置いて、ＴＨＶ＋ＰＥＮ＋ＴＨＶ複合体を作製した。再度このレイアップを２つのポリイミドシートの間に置いて移送プレートの上に配置した。移送プレートを、圧力およそ１００ｐｓｉで、１４０℃に加熱した上部定盤を用い、１０秒間、加熱した定盤プレスの中に挿入した。サイクル完了時に、積層体をプレスから取り出して冷却した。両方のポリイミドシートを剥がすと積層体が現れた。
３）段階２の積層複合体は鋼尺ダイを用いて次の寸法にダイカットした：内部窓＝４８×４６ｍｍ、外縁＝９０×１００ｍｍ。
４）ＭＥＡを、寸法１３０×１５０ｍｍに切断されたポリイミドフィルムからなる１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚の小片の中央に配置した。
５）次に、ＭＥＡが周囲全体でおよそ２．５ｍｍの重なり合いを有するように、積層したフィルムの内部窓をＭＥＡに目視で位置合せした。次に、組立体を寸法１３０×１５０ｍｍに切断された１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚の別のポリイミドフィルム片で覆った。
６）ＭＥＡを上向きにして、組み立てたこれらの小片を移送プレートの上に置いた（例１を参照）。
７）組立体全体を、圧力およそ１００ｐｓｉで、１８０℃に加熱した上部定盤を用い、およそ１０秒間、加熱した定盤プレス（ＰＨＩ、製品番号Ｑ２３０Ｈ）の中に挿入した。
８）プレスサイクルが完了したら、部品を取り出して冷却した。ポリイミドカバーシートを取り除くと、枠付きのＭＥＡが現れた。
９）２片のガス拡散層（ＳＩＧＲＡＣＥＴ（登録商標）ガス拡散媒体２５ＢＣ、ＳＧＬ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＧｍｂＨから入手、ＧＤＬ）を寸法５５×５７ｍｍにダイカットした。
１０）ＭＥＡを上向きにして、枠付きＭＥＡを１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚のポリイミドシートの上に置いた。ＧＤＬがＭＥＡを完全に覆うように、ＧＤＬ片の１つをＭＥＡの上に位置合せした。１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚のポリイミドからなる第２のシートをレイアップの上に配置した。
１１）この組立体を移送プレートの上に置き（例１を参照）、およそ５秒間加熱した定盤プレスの中に挿入した。上部定盤は１８０℃に加熱され、締付圧は１００ｐｓｉであった。サイクル完了後、組立体を取り出して冷却した。
１２）冷却したら下のカバーシートを取り除いて、ＭＥＡの反対面を覆うようにＧＤＬの第２片を位置合せした。この組立体を、１２５マイクロメートル（０．００５インチ）厚のポリイミド片で覆い、加熱した定盤プレスに挿入するため移送プレートの上に置いた（例１を参照）。
１３）プレスサイクルは、圧力１００ｐｓｉ、定盤温度およそ１８０℃でおよそ１０秒であった。
１４）サイクルが完了したら、レイアップをプレスから取り出して空冷した。
１５）冷却したらカバーシートを取り除いて部品を露わにした。
【００５４】
得られた膜電極組立体にはガス拡散層が結合しており、膜電極組立体は構造フィルム層によって端面で支持されていた。
【００５５】
本発明をいくつかの好適実施態様と関連させて説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されないことを企図している。むしろ、本発明は添付した特許請求の範囲に規定される範囲で付与されるべきものである。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図４（ｃ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図６（ｃ）】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図７（ｃ）】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【図８（ｃ）】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図９（ｃ）】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１１（ｃ）】
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【図１２】
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【図１３（ａ）】
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【図１３（ｂ）】
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【図１４（ａ）】
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【図１４（ｂ）】
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【国際調査報告】
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