膜电极接合体的集合卷、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池

技术领域

本公开涉及膜电极接合体的集合卷、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池。

背景技术

燃料电池利用氢等燃料与氧等氧化剂的化学反应来生成电力。与利用石油等的以往的发电方式相比，燃料电池作为具有高发电效率且能够减少环境负荷和噪音的发电方式而受到关注。在燃料电池当中，由于固体高分子型燃料电池能够在低温下工作和小型化，因此被期待应用于便携用电源、家庭用电源、车载用电源等。

固体高分子型燃料电池具备膜电极接合体，该膜电极接合体具有：构成作为阳极的燃料电极的电极催化剂层、构成作为阴极的空气电极的电极催化剂层、以及夹在这2个电极催化剂层之间的高分子电解质膜。在各电极催化剂层的外侧配置有框状的垫片部件。垫片部件增强以刚性低的高分子电解质膜为中心的膜电极接合体，并且抑制向燃料电极和空气电极供给的气体的泄漏。此外，在各电极催化剂层上层叠有用于供给的气体的扩散的气体扩散层。膜电极接合体被具有用于气体供给的流路的一对隔板夹持，由此形成了固体高分子型燃料电池的1个电池。

向燃料电极供给含氢的燃料气体，向空气电极供给含氧的氧化剂气体。通过电极催化剂层所含的催化剂的作用，由供给到燃料电极的燃料气体产生质子和电子。质子通过电极催化剂层和高分子电解质膜所含的高分子电解质传导，经由高分子电解质膜而移动到空气电极。电子从燃料电极被取出至外部回路，经由外部回路而移动到空气电极。在空气电极中，氧化剂气体与从燃料电极移动来的质子以及电子反应而生成水。由此，电子流过外部回路而产生电流。

在形成高分子电解质膜或电极催化剂层时，需要像高分子电解质或作为催化剂发挥功能的铂系贵金属那样高价的材料。因此，要求削减膜电极接合体的制造成本。削减制造成本的手段之一是利用卷对卷(roll-to-roll)方式(例如，参照专利文献1)。通常，卷对卷方式是适合大量生产的方式，与一个一个地制造对象产品的片对片(sheet-to-sheet)方式相比，可以通过制造工序的效率化来削减制造成本。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2019/035424号

发明内容

发明所要解决的课题

在采用一般的卷对卷方式的情况下，通过制造在长带状的高分子电解质膜上涂布电极催化剂层而形成的带状体，裁断该带状体，从而形成了膜电极接合体。在这样的带状体中，如用于电极催化剂层的涂布或带状体的输送的边缘区域等那样，在除作为膜电极接合体的必须区域以外的区域也配置高分子电解质膜，因此从削减材料的使用量的观点来看，制造成本的削减是不充分的。

另外，由于高分子电解质膜在带状体的长度方向上是连续的，因此在相对于带状体配置垫片部件的情况下，在上述长度方向上高分子电解质膜和垫片部件的大小相同。结果，在电极催化剂层的外侧高分子电解质膜与垫片部件重叠的区域容易变大。当高分子电解质膜与垫片部件的重叠变大时，由于热压接气体扩散层时的热收缩量在高分子电解质膜和垫片部件上不同，从而在膜电极接合体上产生褶皱。当在膜电极接合体上产生褶皱时，在膜电极接合体上难以组装隔板，另外，也有可能产生向燃料电极和空气电极供给的气体的泄漏。

需要说明的是，不限于制造成本的削减，在容易进行膜电极接合体的保管和输送的目的下，也要求由多个膜电极接合体连接而成的带状体构成的卷。

用于解决课题的手段

用于解决上述课题的集合卷是将带状体卷绕而成的卷，该带状体具备：多个层状体，其各自具有高分子电解质膜、以及在厚度方向上夹着所述高分子电解质膜并与该高分子电解质膜接触的一对电极催化剂层；和支持部件，其具有沿着1个方向连续排列的多个框状部、并且各框状部一个一个地支持所述层状体，从沿着所述高分子电解质膜的厚度方向的方向观察时，所述高分子电解质膜具有向所述电极催化剂层的外侧突出的部分即外周部、并且所述框状部的外形比所述高分子电解质膜的外形大，所述框状部包围所述电极催化剂层的外侧且与所述电极催化剂层接触、并且在厚度方向上将所述外周部夹入所述框状部内，从沿着所述高分子电解质膜的厚度方向的方向观察时，所述外周部的宽度为1mm以上，所述外周部的面积相对于所述电极催化剂层的面积的比为0.2以下。

用于解决上述课题的集合卷是将带状体卷绕而成的卷，该带状体具备：多个层状体，其各自具有高分子电解质膜、以及在厚度方向上夹着所述高分子电解质膜并与该高分子电解质膜接触的一对电极催化剂层；多个框状部，其是沿着1个方向排列的多个框状部、并且各框状部一个一个地支持所述层状体；以及固定部，其连接彼此相邻的所述框状部，从沿着所述高分子电解质膜的厚度方向的方向观察时，所述高分子电解质膜具有向所述电极催化剂层的外侧突出的部分即外周部、并且所述框状部的外形比所述高分子电解质膜的外形大，所述框状部包围所述电极催化剂层的外侧且与所述电极催化剂层接触、并且在厚度方向上将所述外周部夹入所述框状部内。

用于解决上述课题的膜电极接合体是将上述集合卷按照支持所述层状体的所述框状部分割而成的膜电极接合体。

用于解决上述课题的膜电极接合体具备：层状体，其具有高分子电解质膜、以及在厚度方向上夹着所述高分子电解质膜并与该高分子电解质膜接触的一对电极催化剂层；和框状部，其支持所述层状体，从沿着所述高分子电解质膜的厚度方向的方向观察时，所述高分子电解质膜具有向所述电极催化剂层的外侧突出的部分即外周部、并且所述框状部的外形比所述高分子电解质膜的外形大，所述框状部包围所述电极催化剂层的外侧且与所述电极催化剂层接触、并且在厚度方向上将所述外周部夹入所述框状部内，从沿着所述高分子电解质膜的厚度方向的方向观察时，所述外周部的宽度为1mm以上，所述外周部的面积相对于所述电极催化剂层的面积的比为0.2以下，所述膜电极接合体具有端面，其是位于所述框状部的端部的面、且是在厚度方向上连续的1个面。

用于解决上述课题的膜电极接合体具备：层状体，其具有高分子电解质膜、以及在厚度方向上夹着所述高分子电解质膜并与该高分子电解质膜接触的一对电极催化剂层；框状部，其支持所述层状体；以及固定部，从沿着所述高分子电解质膜的厚度方向的方向观察时，所述固定部在所述框状部的端部上沿着所述框状部的外缘延伸，从沿着所述高分子电解质膜的厚度方向的方向观察时，所述高分子电解质膜具有向所述电极催化剂层的外侧突出的部分即外周部、并且所述框状部的外形比所述高分子电解质膜的外形大，所述框状部包围所述电极催化剂层的外侧且与所述电极催化剂层接触、并且在厚度方向上将所述外周部夹入所述框状部内，所述固定部包含粘合剂或粘接剂，且与所述框状部接合。

根据上述各构成，由于多个膜电极接合体集中成卷状，因此膜电极接合体的保管和输送变得容易。另外，层状体位于集合卷的一部分，在膜电极接合体的外缘附近不配置高分子电解质膜和电极催化剂层。因此，与连续地形成高分子电解质膜的卷相比，能够削减形成膜电极接合体所需的高分子电解质膜的材料。

另外，通过使高分子电解质膜的外周部的宽度为1mm以上，框状部对于外周部的密合性提高，因此能够抑制支持部件从高分子电解质膜的剥离。另外，由于外周部相对于电极催化剂层的面积之比为0.2以下，因此能够可靠地削减形成膜电极接合体所需的高分子电解质膜的材料的量。此外，由于高分子电解质膜与框状部重叠的区域的面积不会过大，因此在热压接气体扩散层时，能够抑制在膜电极接合体的端部产生褶皱。通过抑制褶皱的产生，能够抑制向电极催化剂层供给的气体的泄漏。

用于解决上述课题的固体高分子型燃料电池具备上述膜电极接合体和夹着所述膜电极接合体的一对隔板。

根据上述构成，由于在膜电极接合体中能够削减材料和抑制气体泄漏，因此能够削减固体高分子型燃料电池的制造成本、并且能够抑制因气体泄漏引起的输出功率的降低。

发明的效果

根据本公开，能够容易地进行膜电极接合体的保管和输送。

附图说明

[图1]示出第1实施方式的膜电极接合体的集合卷的透视结构的图。

[图2]示出第1实施方式的膜电极接合体的集合卷的剖面结构的图。

[图3]示出第1实施方式的膜电极接合体的剖面结构的图。

[图4]示意性地示出第1实施方式的膜电极接合体所具备的电极催化剂层的构成的图。

[图5]分解示出第1实施方式的固体高分子型燃料电池的透视结构的图。

[图6]示出第2实施方式的膜电极接合体的集合卷的透视结构的图。

[图7]示出第2实施方式的膜电极接合体的集合卷的剖面结构的图。

具体实施方式

(第1实施方式)

参照图1～图5，对膜电极接合体的集合卷、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池的第1实施方式进行说明。需要说明的是，本说明书中的表述“A和B中的至少一者”应当理解为是指“仅A、或仅B、或A和B两者”。

[集合卷]

如图1所示，膜电极接合体的集合卷100具有能够分割成多个膜电极接合体10的带状体卷绕成卷状的结构。

集合卷100具备：各自具有高分子电解质膜11和一对电极催化剂层12A、12C的多个层状体15；以及1个支持部件20。支持部件20具有沿着1个方向连续排列的多个框状部26，各框状部26一个一个地支持着层状体15。多个框状部26排列的方向是支持部件20的长度方向、即集合卷100的长度方向。沿着集合卷100的长度方向彼此相邻的层状体15分离，框状部26以包围层状体15的外周部的方式支持层状体15。换言之，支持部件20具有沿着其长度方向排列的多个开口25，在各开口25的位置处组装有层状体15。

膜电极接合体10由层状体15和框状部26构成。在集合卷100中，多个膜电极接合体10沿着集合卷100的长度方向排列。

如图2所示，高分子电解质膜11在其厚度方向上被夹在电极催化剂层12A与电极催化剂层12C之间。电极催化剂层12A与高分子电解质膜11所具有的2个面中的一个面接触，构成作为固体高分子型燃料电池的阳极的燃料电极。电极催化剂层12C与高分子电解质膜11所具有的2个面中的另一个面接触，构成作为固体高分子型燃料电池的阴极的空气电极。

从沿着高分子电解质膜11的厚度方向的方向观察时，电极催化剂层12A和电极催化剂层12C的外形相同。而且，高分子电解质膜11的外形比这些电极催化剂层12A、12C的外形大。即，从沿着上述厚度方向的方向观察时，高分子电解质膜11具有从电极催化剂层12A、12C突出的部分即外周部11e。从沿着上述厚度方向的方向观察时，外周部11e具有包围电极催化剂层12A、12C的框状。

需要说明的是，对高分子电解质膜11和电极催化剂层12A、12C的外形的形状没有特别地限定，例如可以为矩形。在集合卷100的彼此相邻的膜电极接合体10之间，高分子电解质膜11不连续，另外，电极催化剂层12A也不连续、电极催化剂层12C也不连续。

支持部件20具有将支持基材21A和粘接层22A的层叠体即粘接片23A与支持基材21C和粘接层22C的层叠体即粘接片23C以粘接层22A与粘接层22C相对的方式粘贴而成的结构。从沿着高分子电解质膜11的厚度方向的方向观察时，贯通支持部件20的开口25具有与电极催化剂层12A、12C相同的形状。另外，从沿着上述厚度方向的方向观察时，框状部26的外形比高分子电解质膜11的外形大。

高分子电解质膜11的外周部11e被夹在粘接层22A与粘接层22C之间。在高分子电解质膜11的外侧区域中，粘接层22A与粘接层22C直接接触。即，在彼此相邻的高分子电解质膜11之间的区域，换言之，在彼此相邻的膜电极接合体10的边界部分中，粘接层22A与粘接层22C直接接触。

电极催化剂层12A、12C位于开口25内，电极催化剂层12A、12C的端面与支持部件20中的开口25的内周面接触。详细而言，粘接片23A包围着电极催化剂层12A的外侧、粘接片23C包围着电极催化剂层12C的外侧。

这样，支持部件20的框状部26包围电极催化剂层12A、12C的外侧且与电极催化剂层12A、12C接触，并且在厚度方向上在框状部26内夹持着高分子电解质膜11的外周部11e。在这样的构成中，电极催化剂层12A从开口25的粘接片23A的位置侧露出，电极催化剂层12C从开口25的粘接片23C的位置侧露出，另一方面，高分子电解质膜11不在集合卷100的外部露出。

通过配置支持部件20，构成集合卷100的带状体的刚性提高，从而容易将带状体卷取成卷状。另外，由于层状体15在厚度方向上不从支持部件20突出，因此在卷取成卷状时能够抑制层状体15与其他层状体15或支持部件20接触而被压坏。

在集合卷100中，层状体15被间隔地设置，并且在膜电极接合体10的外缘附近没有配置高分子电解质膜11和电极催化剂层12A、12C。因此，与连续地形成高分子电解质膜11的卷相比，能够削减形成膜电极接合体10所需的高分子电解质膜11的材料。例如，用于在输送、卷取或裁剪集合卷100时支持从集合卷100延伸的带状体等所需要的部分即在膜电极接合体10中对电极反应没有贡献的部分只要仅由支持部件20构成即可。

如果是这样的集合卷100，则能够组装到卷对卷方式的制造方法中，并且能够削减高价材料的使用量。另外，由于多个膜电极接合体10集中成卷状，因此膜电极接合体10的保管和输送也变得容易。

从沿着高分子电解质膜11的厚度方向的方向观察时，外周部11e的宽度W1为1mm以上。通过使宽度W1为1mm以上，框状部26对于外周部11e的密合性提高，因此可以抑制支持部件20从高分子电解质膜11的剥离。需要说明的是，宽度W1越小，越能够削减形成膜电极接合体10所需的高分子电解质膜11的材料的量。

从沿着上述厚度方向的方向观察时，将电极催化剂层12A、12C所处的区域的面积设为催化剂层面积Se、外周部11e的面积设为外周部面积Sm。此时，外周部面积Sm相对于催化剂层面积Se的比(Sm/Se)为0.2以下。通过使上述比为0.2以下，相对于形成电极催化剂层12A、12C的区域、即发生电极反应的区域，高分子电解质膜11不会过大，因此能够可靠地削减形成膜电极接合体10所需的高分子电解质膜11的材料的量。此外，通过使上述比为0.2以下，相对于形成电极催化剂层12A、12C的区域，高分子电解质膜11与支持部件20重叠的区域的面积不会过大。因此，在电极催化剂层12A、12C上层叠气体扩散层并进行热压接时，能够抑制因高分子电解质膜11和支持部件20的热收缩的大小的不同而在膜电极接合体10的端部产生褶皱。通过抑制褶皱的产生，能够抑制向电极催化剂层12A、12C供给的气体的泄漏。

通过按照支持层状体15的框状部26分割集合卷100，而将集合卷100分成各个膜电极接合体10。详细而言，通过沿着厚度方向切断彼此相邻的框状部26的边界部分、即仅由彼此相邻的高分子电解质膜11间的支持部件20构成的区域，来分割集合卷100。切断例如使用切割刀(cutter)等刀具或激光。

[膜电极接合体]

图3示出通过分割上述集合卷100而形成的膜电极接合体10。膜电极接合体10具备：高分子电解质膜11、夹着高分子电解质膜11的一对电极催化剂层12A、12C、以及由一对垫片部件13A、13C构成的框状部26。

垫片部件13A、13C是通过切断支持部件20而形成的部件。垫片部件13A是粘接片23A被切断而成的部件，垫片部件13C是粘接片23C被切断而成的部件。垫片部件13A和垫片部件13C的层叠体相当于支持部件20的1个框状部26。

高分子电解质膜11的外周部11e被夹在垫片部件13A与垫片部件13C之间。从沿着高分子电解质膜11的厚度方向的方向观察时，框状部26的宽度W2大于外周部11e的宽度W1。如上所述，宽度W1越小，越能够削减形成膜电极接合体10所需的高分子电解质膜11的材料的量，因此宽度W1优选为宽度W2的1/2以下。另外，通过使宽度W2为宽度W1的2倍以上，能够通过集合卷100充分地确保彼此相邻的高分子电解质膜11之间的长度，因此容易设定集合卷100的切断位置。

垫片部件13A包围电极催化剂层12A的外侧，垫片部件13C包围电极催化剂层12C的外侧。通过利用框状部26在电极催化剂层12A、12C的外侧完全覆盖高分子电解质膜11的外周部11e，由此抑制从外周部11e附近的气体的泄漏。

膜电极接合体10具有在厚度方向上连续的1个面即端面19S。端面19S是通过切断集合卷100而形成的面，位于与集合卷100的长度方向对应的方向上的膜电极接合体10的端部。即，端面19S位于框状部26的端部。当膜电极接合体10通过与在集合卷100的长度方向上位于两个相邻位置的其他膜电极接合体10切离而形成时，该膜电极接合体10在与集合卷100的长度方向对应的方向上的两端分别具有端面19S。

例如，在集合卷100被切割刀等刀具切断时，端面19S为平面。另外，在集合卷100被激光切断时，端面19S是包含由激光的热量引起的变形或变质的面。在预先对每个部件切断垫片部件13A、13C之后粘贴的情况下，在膜电极接合体的端面形成有部件彼此的微细的偏差即台阶、即不连续的部分。与此相对，本实施方式的膜电极接合体10所具有的端面19S是不包含上述不连续的部分的1个连续的面。

[集合卷和膜电极接合体的材料]

以下，对集合卷100和膜电极接合体10所具备的部件的材料进行说明。

高分子电解质膜11包含高分子电解质。高分子电解质膜11中所使用的高分子电解质只要是具有质子传导性的高分子电解质即可，例如可以是氟系高分子电解质或烃系高分子电解质。氟系高分子电解质例如是具有四氟乙烯骨架的高分子电解质，该高分子电解质的一个例子是Nafion(注册商标：杜邦公司制)。烃系高分子电解质的一个例子是磺化聚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚醚醚砜、磺化聚硫化物、磺化聚亚苯基等。

如图4所示，电极催化剂层12A、12C包含：催化剂物质31、导电性载体32、以及高分子电解质的凝聚体33。进一步，电极催化剂层12A、12C还可以含有纤维状物质34。需要说明的是，2个电极催化剂层12A和电极催化剂层12C的组成可以彼此一致、也可以不同。

催化剂物质31例如是铂、钯、钌、铱、铑、锇这样的铂族元素；或铁、铅、铜、铬、钴、镍、锰、钒、钼、镓、铝等金属；或它们的合金、氧化物、复合氧化物、碳化物等。特别是，催化剂物质31优选为铂或铂合金。

导电性载体32只要是具有导电性且不受催化剂侵蚀的载体即可。导电性载体32负载催化剂物质31。导电性载体32例如是碳粒子。用作碳粒子的碳材料例如是由炭黑、石墨、黑铅、活性炭、碳纳米管、碳纳米纤维、富勒烯等构成的粉末状的碳材料。碳粒子的平均一次粒径优选为10nm以上1000nm以下、更优选为10nm以上100nm以下。如果碳粒子的平均一次粒径为上述下限值以上，则在电极催化剂层12A、12C中碳粒子不会过密地塞满，因此能够抑制电极催化剂层12A、12C的气体扩散性的降低。如果碳粒子的平均一次粒径为上述上限值以下，则可以抑制在电极催化剂层12A、12C中产生裂纹。

高分子电解质的凝聚体33是作为离聚物的高分子电解质通过凝聚力凝聚而成的块。凝聚力包括作用于离聚物间的库仑力和范德华力。

构成凝聚体33的高分子电解质只要是具有质子传导性的高分子电解质即可，可以使用上述作为高分子电解质膜11的材料而示例出的各种电解质。高分子电解质膜11和凝聚体33各自所使用的高分子电解质可以彼此一致、也可以不同。为了减少高分子电解质膜11与电极催化剂层12A、12C的界面处的电阻、减少因湿度变化引起的高分子电解质膜11与电极催化剂层12A、12C的尺寸变化率之差，高分子电解质膜11和凝聚体33各自所使用的高分子电解质优选为彼此相同的电解质或相似的电解质。

纤维状物质34是电子传导性纤维或质子传导性纤维。电子传导性纤维例如是以碳为构成元素的纤维状的结构体。用作电子传导性纤维的材料例如为碳纤维、碳纳米管、碳纳米角、导电性高分子纳米纤维等。其中，从导电性和分散性良好的观点来看，优选使用碳纳米纤维。

电子传导性纤维可以具有催化剂能力。当电子传导性纤维具有催化剂能力时，可以减少由贵金属构成的催化剂物质31的使用量，因此优选。作为构成空气电极的电极催化剂层12C中所含有的具有催化剂能力的电子传导性纤维，例如可以列举出由碳纳米纤维制作的碳合金催化剂。另外，具有催化剂能力的电子传导性纤维也可以是由燃料电极用的电极活性物质形成的纤维。电极活性物质可以使用含有选自由Ta、Nb、Ti及Zr组成的组中的至少一种过渡金属元素的物质。含有过渡金属元素的物质例如为过渡金属元素的碳氮化物的部分氧化物、过渡金属元素的导电性氧化物、过渡金属元素的导电性氧氮化物。

质子传导性纤维是将具有质子传导性的高分子电解质加工成纤维状而成的纤维。构成质子传导性纤维的高分子电解质例如可以是氟系高分子电解质或烃系高分子电解质。氟系高分子电解质的一个例子是Nafion(注册商标：杜邦公司制)、Flemion(注册商标：旭硝子公司制)、Aciplex(注册商标：旭化成公司制)、Gore Select(注册商标：Gore公司制)。烃系高分子电解质的一个例子是磺化聚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚醚醚砜、磺化聚硫化物、磺化聚亚苯基、磺化聚酰亚胺、酸掺杂型聚苯并噁唑类等。

构成质子传导性纤维的高分子电解质可以与构成高分子电解质膜11或凝聚体33的高分子电解质一致、也可以不同。当构成高分子电解质膜11、凝聚体33及质子传导性纤维的高分子电解质为彼此相同的电解质或相似的电解质时，可以减少高分子电解质膜11与电极催化剂层12A、12C的界面处的电阻、或减少因湿度变化而引起的高分子电解质膜11与电极催化剂层12A、12C的尺寸变化率之差。

电极催化剂层12A、12C所含的纤维状物质34可以仅为电子传导性纤维、也可以仅为质子传导性纤维。或者，电极催化剂层12A、12C所含的纤维状物质34也可以包含电子传导性纤维和质子传导性纤维这两者。电极催化剂层12A、12C优选包含碳纳米纤维、碳纳米管、以及质子传导性纤维中的至少1者。但是，电极催化剂层12A、12C也可以不包含纤维状物质34。

纤维状物质34的纤维直径优选为0.5nm以上500nm以下、更优选为5nm以上200nm以下。如果纤维直径在上述范围内，则在电极催化剂层12A、12C内可靠地形成空隙，因此能够提高燃料电池的输出功率。

纤维状物质34的纤维长度优选为1μm以上50μm以下、更优选为1μm以上20μm以下。如果纤维长度在上述范围内，则可靠地提高电极催化剂层12A、12C的强度，因此能够抑制在形成电极催化剂层12A、12C时产生裂纹。另外，由于在电极催化剂层12A、12C内可靠地形成空隙，因此能够提高燃料电池的输出功率。

支持部件20所具备的支持基材21A、21C例如是由下述材料构成的膜：乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)等氟系树脂；或者聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、间规聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等。

支持部件20所具备的粘接层22A、22C的材料例如为环氧树脂、丙烯酸树脂、氨基甲酸酯树脂、有机硅树脂等。

[固体高分子型燃料电池]

参照图5，对具备上述膜电极接合体10的固体高分子型燃料电池40进行说明。

如图5所示，固体高分子型燃料电池40具备：膜电极接合体10、一对隔板41A、41C、一对气体扩散层45A、45C。膜电极接合体10被夹在气体扩散层45A与气体扩散层45C之间，气体扩散层45A与电极催化剂层12A接触，气体扩散层45C与电极催化剂层12C接触。气体扩散层45A、45C具有导电性、并且具有使供给到电极催化剂层12A、12C的气体扩散的功能。作为气体扩散层45A、45C，例如可以使用碳布或碳纸等。

膜电极接合体10和气体扩散层45A、45C的层叠体被夹持在隔板41A与隔板41C之间。隔板41A、41C由具有导电性且不透气性的材料构成。在隔板41A的与气体扩散层45A相对的面上形成有气体流路42A，在与气体扩散层45A相反一侧的面上形成有冷却水流路43A。同样地，在隔板41C的与气体扩散层45C相对的面上形成有气体流路42C，在与气体扩散层45C相反一侧的面上形成有冷却水流路43C。

在上述构成中，由电极催化剂层12A和气体扩散层45A构成作为阳极的燃料电极，由电极催化剂层12C和气体扩散层45C构成作为阴极的空气电极。

在使用固体高分子型燃料电池40时，氢等燃料气体流入燃料电极侧的隔板41A的气体流路42A，空气或氧等氧化剂气体流入空气电极侧的隔板41C的气体流路42C。另外，冷却水流入各隔板41A、41C的冷却水流路43A、43C。然后，从气体流路42A向燃料电极供给燃料气体，从气体流路42C向空气电极供给氧化剂气体。由此，在燃料电极发生下述(式1)所示的反应，在空气电极发生下述(式2)所示的反应，在燃料电极与空气电极之间产生电动势。需要说明的是，也可以向燃料电极供给甲醇等有机物燃料。

H

1/2O

需要说明的是，固体高分子型燃料电池40可以在图5所示的单电池的状态下使用，也可以通过层叠多个单电池并串联连接而作为1个固体高分子型燃料电池使用。

[集合卷的制造方法]

对上述的集合卷100的制造方法进行说明。首先，对电极催化剂层12A、12C的制造方法进行说明。

电极催化剂层12A、12C通过在基材上涂布包含电极催化剂层12A、12C的材料的催化剂层用浆料以形成涂膜、并干燥涂膜而形成。

催化剂层用浆料通过将电极催化剂层12A、12C的材料混合到分散介质中，然后对该混合物实施分散处理来制作。

分散介质可以使用不侵蚀电极催化剂层12A、12C的材料且在分散介质的流动性高的状态下能够溶解高分子电解质、或者能够将高分子电解质作为微细的凝胶分散的液剂。分散介质优选包含挥发性的液体有机溶剂。在液体有机溶剂为低级醇的情况下，为了减少起火的风险，优选在分散介质中混合水。不限于此，在分散介质中可以在抑制因高分子电解质分离引起的催化剂层用浆料的白浊或凝固的范围内混合水。

分散处理例如使用行星型球磨机、珠磨机、超声波均质器等。

涂布催化剂层用浆料的基材可以使用在形成电极催化剂层12A、12C之后剥离的转印用基材、或高分子电解质膜11。

对将催化剂层用浆料涂布在基材上的方法没有特别地限定。催化剂层用浆料的涂布方法例如是使用了模涂机、辊涂机、帘涂机、喷涂机、刮板(squeegee)的涂布方法等。其中，涂布方法优选使用模涂机。从使涂布期间中途的膜厚稳定且能够进行间断的涂布的方面来看，模涂机是优选的。

涂膜的干燥方法例如可以使用利用热风烘箱的干燥、IR(远红外线)干燥、利用热板的干燥、减压干燥等。干燥温度优选在40℃以上200℃以下的范围内、更优选在40℃以上120℃以下左右的范围内。干燥时间优选在0.5分钟以上1小时以下的范围内、更优选在1分钟以上30分钟以下左右的范围内。

首先，对于涂布催化剂层用浆料的基材使用转印用基材的情况说明集合卷100的制造方法。

在使用转印用基材的情况下，通过在转印用基材上涂布催化剂层用浆料以形成涂膜后并干燥涂膜，从而制作层叠有电极催化剂层的转印用基材。然后，例如通过在使转印用基材上的电极催化剂层的表面与高分子电解质膜11接触的状态下进行加热和加压，从而使电极催化剂层与高分子电解质膜11接合。然后，将转印用基材从电极催化剂层剥离。通过在高分子电解质膜11的两面接合电极催化剂层，得到了作为高分子电解质膜11和电极催化剂层12A、12C的层叠体的层状体15。

另外，在支持基材21A和粘接层22A的层叠片上，以多个开口沿着上述层叠片的长度方向排列的方式形成与电极催化剂层12A相同形状的开口，从而形成粘接片23A。同样地，在支持基材21C和粘接层22C的层叠片上，以多个开口沿着上述层叠片的长度方向排列的方式形成与电极催化剂层12C相同形状的开口，从而形成粘接片23C。

将粘接片23A和粘接片23C例如卷取成卷状。一边使开口的位置与电极催化剂层12A的位置对准、一边将从卷引出的粘接片23A粘贴在层状体15中的高分子电解质膜11的外周部11e的一个面上，并且一边使开口的位置与电极催化剂层12C的位置对准、一边将从卷引出的粘接片23C粘贴在外周部11e的另一个面上。由此，在粘接片23A与粘接片23C之间依次排列地夹入多个层状体15，从而形成集合卷100。

转印用基材例如可以使用由氟系树脂形成的膜等各种高分子膜。使用了氟系树脂的膜的转印性优异。氟系树脂例如为乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)等。除此以外，作为可用于转印用基材的高分子材料，例如可以列举出：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺(尼龙(注册商标))、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚芳酯、聚萘二甲酸乙二醇酯等。

在将电极催化剂层12A、12C从转印用基材向高分子电解质膜11转印时，施加在电极催化剂层12A、12C上的压力和温度有时会影响膜电极接合体10的发电性能。为了得到发电性能高的膜电极接合体10，转印电极催化剂层12A、12C时的压力优选在0.1MPa以上20MPa以下的范围内。通过使压力为20MPa以下，可以抑制电极催化剂层12A、12C被过度压缩。通过使压力为0.1MPa以上，可以抑制电极催化剂层12A、12C与高分子电解质膜11的接合性的降低，因此能够抑制发电性能的降低。从提高高分子电解质膜11与电极催化剂层12A、12C的界面的接合性、抑制界面电阻的观点来看，转印时的温度优选为高分子电解质膜11或电极催化剂层12A、12C所含的高分子电解质的玻璃化转变点附近的温度。

接下来，对于涂布催化剂层用浆料的基材使用高分子电解质膜11的情况说明集合卷100的制造方法。

首先，一边将粘接片23A、23C的开口位置与高分子电解质膜11上的电极催化剂层12A、12C的预定形成位置对准、一边将与上述同样地形成并从卷引出的粘接片23A、23C粘贴在高分子电解质膜11上。由此，形成了在粘接片23A与粘接片23C之间夹着高分子电解质膜11的带状体。

接着，在从粘接片23A、23C的开口露出的高分子电解质膜11上涂布催化剂层用浆料以形成涂膜，并使该涂膜干燥。由此，在高分子电解质膜11上形成电极催化剂层12A、12C，从而形成了集合卷100。

需要说明的是，在涂布催化剂层用浆料的基材使用高分子电解质膜11的情况下，也可以在高分子电解质膜11上形成电极催化剂层12A、12C之后，通过将粘接片23A、23C粘贴到高分子电解质膜11上的步骤形成集合卷100。

[实施例]

使用具体的实施例和比较例对上述膜电极接合体的集合卷和膜电极接合体进行说明。

(实施例1)

将高分子电解质膜(Nafion211：杜邦公司制)形成为各边分别比预定形成的电极催化剂层向外侧配置1mm的大小。预定形成的电极催化剂层的平面形状是长边为300mm、短边为100mm的矩形形状。

接着，将排列有多个与预定形成的电极催化剂层形状相同的开口的粘接片以开口的中心与高分子电解质膜的中心一致的方式粘贴在高分子电解质膜的一个面上，进一步，以开口的位置与粘贴在上述一个面上的粘接片重叠的方式将同样的粘接片粘贴在高分子电解质膜的另一个面上。构成粘接片的支持基材是厚度为0.025mm的聚萘二甲酸乙二醇酯膜(Teonex Q51：帝人公司制)。由此，形成了具备支持部件和高分子电解质膜的带状体。

接着，制备催化剂层用浆料。首先，将作为负载有催化剂物质的导电性载体的负载铂的碳(TEC10E50E：田中贵金属工业公司制)、高分子电解质的分散液(Nafion分散液：和光纯药工业公司制)、作为电子传导性纤维的碳纳米纤维(VGCF-H：昭和电工公司制)、水、以及1-丙醇混合，从而制作了混合物。需要说明的是，负载铂的碳是负载有作为催化剂物质的铂的碳粒子。

使用行星型球磨机以300rpm对上述混合物进行60分钟的分散处理。此时，将直径为5mm的氧化锆球加入氧化锆容器的3分之1左右。由此，得到了催化剂层用浆料。需要说明的是，在催化剂层用浆料中，高分子电解质的质量相对于碳粒子的质量为100质量％，电子传导性纤维的质量相对于碳粒子的质量为100质量％，分散介质中的水的比例为50质量％，催化剂层用浆料中的固体成分含量为10质量％。

通过使用狭缝模涂机(slit die coater)在上述带状体的高分子电解质膜的两面上的开口内涂布催化剂层用浆料，以形成涂膜。需要说明的是，与空气电极对应的涂膜的厚度为150μm，与燃料电极对应的涂膜的厚度为100μm。然后，使用80度的热风烘箱使涂膜干燥。由此，形成了具备由高分子电解质膜和一对电极催化剂层构成的层状体以及支持部件的带状体。通过卷取该带状体，得到了实施例1的集合卷。进一步，通过将集合卷以电极催化剂层为中心裁剪成长边为350mm、短边为150mm的矩形形状，从而得到了膜电极接合体。

在实施例1的集合卷和膜电极接合体中，高分子电解质膜的外周部的宽度W1为1.0mm，外周部面积Sm相对于催化剂层面积Se的比为0.03。

(实施例2)

除了将高分子电解质膜形成为各边分别比预定形成的电极催化剂层向外侧配置3mm的大小以外，通过与实施例1相同的材料和工序，得到了实施例2的集合卷和膜电极接合体。预定形成的电极催化剂层的平面形状是长边为300mm、短边为100mm的矩形形状。在实施例2的集合卷和膜电极接合体中，高分子电解质膜的外周部的宽度W1为3.0mm，外周部面积Sm相对于催化剂层面积Se的比为0.08。

(实施例3)

除了将高分子电解质膜形成为各边分别比预定形成的电极催化剂层向外侧配置7mm的大小以外，通过与实施例1相同的材料和工序，得到了实施例3的集合卷和膜电极接合体。预定形成的电极催化剂层的平面形状是长边为300mm、短边为100mm的矩形形状。在实施例3的集合卷和膜电极接合体中，高分子电解质膜的外周部的宽度W1为7.0mm，外周部面积Sm相对于催化剂层面积Se的比为0.19。

(比较例1)

除了将高分子电解质膜形成为各边分别比预定形成的电极催化剂层向外侧配置0.5mm的大小以外，通过与实施例1相同的材料和工序，得到了比较例1的集合卷和膜电极接合体。预定形成的电极催化剂层的平面形状是长边为300mm、短边为100mm的矩形形状。在比较例1的集合卷和膜电极接合体中，高分子电解质膜的外周部的宽度W1为0.5mm，外周部面积Sm相对于催化剂层面积Se的比为0.01。

(比较例2)

除了变更预定形成的电极催化剂层的大小、并且将高分子电解质膜形成为各边分别比预定形成的电极催化剂层向外侧配置7mm的大小以外，通过与实施例1相同的材料和工序，得到了比较例2的集合卷和膜电极接合体。预定形成的电极催化剂层的平面形状是长边为240mm、短边为100mm的矩形形状。在比较例2的集合卷和膜电极接合体中，高分子电解质膜的外周部的宽度W1为7.0mm，外周部面积Sm相对于催化剂层面积Se的比为0.21。

(评价)

<支持部件的剥离>

关于各实施例和各比较例，在卷取集合卷时和从集合卷分离膜电极接合体时，观察是否产生支持部件从高分子电解质膜的外周部的剥离。将在上述卷取时和上述分离时均未产生剥离的情况设为“○”；将在上述卷取时和上述分离时的至少一者产生剥离的情况设为“×”。

<褶皱的产生>

在各实施例和各比较例的膜电极接合体的电极催化剂层上热压接气体扩散层(GDL SIGRACET 22BB:SGL公司制)。热压接时的加热温度为120℃、压力为1MPa、加压时间为3分钟。然后，观察膜电极接合体的端部是否产生褶皱。将未产生褶皱的情况设为“○”；将产生褶皱的情况设为“×”。

(评价结果)

表1示出了各实施例和各比较例的高分子电解质膜的外周部的宽度W1、外周部面积Sm相对于催化剂层面积Se的比、支持部件的剥离的评价结果、褶皱的产生的评价结果以及综合评价。在综合评价中，将剥离和褶皱的评价均为“○”的情况设为“○”；将剥离和褶皱的评价中的至少一者为“×”的情况评价为“×”。

[表1]

如表1所示，在高分子电解质膜的外周部的宽度W1为0.1mm以上的实施例1～实施例3及比较例2中，没有产生外周部的支持部件的剥离，与此相对，在宽度W1小于0.1的比较例1中，确认到支持部件的剥离。由此可以确认：如果外周部的宽度W1为0.1mm以上，则能够抑制支持部件从高分子电解质膜的剥离。

另外，在外周部面积Sm相对于催化剂层面积Se的比为0.2以下的实施例1～实施例3及比较例1中，在膜电极接合体的端部没有产生褶皱，与此相对，在上述比超过0.2的比较例2中，确认到褶皱的产生。由此可以确认：如果上述比为0.2以下，则能够抑制在膜电极接合体的端部产生褶皱。

以上，如使用实施例说明的那样，根据第1实施方式的集合卷、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池，可以得到以下的效果。

(1)由于多个膜电极接合体10集中成卷状，因此膜电极接合体10的保管和输送变得容易。

(2)在集合卷100中，在膜电极接合体10的外缘附近不配置高分子电解质膜11和电极催化剂层12A、12C。因此，与连续地形成高分子电解质膜11的卷相比，能够削减形成膜电极接合体10所需的高分子电解质膜11的材料。如果是这样的集合卷100，则能够组装到卷对卷方式的制造方法中，并且能够削减高价材料的使用量。

(3)高分子电解质膜11的外周部11e的宽度W1为1mm以上。由此，由于框状部26对于外周部11e的密合性提高，因此能够抑制支持部件20从高分子电解质膜11的剥离。

(4)外周部面积Sm相对于催化剂层面积Se的比为0.2以下。由此，能够可靠地削减形成膜电极接合体10所需的高分子电解质膜11的材料的量。此外，由于高分子电解质膜11和支持部件20重叠的区域的面积不会过大，因此在气体扩散层的热压接时，能够抑制在膜电极接合体10的端部产生褶皱。通过抑制褶皱的产生，能够抑制向电极催化剂层12A、12C供给的气体的泄漏。

(第2实施方式)

参照图6和图7，对膜电极接合体的集合卷、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池的第2实施方式进行说明。以下，以第2实施方式与第1实施方式的不同点为中心进行说明，对于与第1实施方式相同的构成标注相同的符号并省略其说明。

如图6所示，在第2实施方式的膜电极接合体的集合卷110中，多个框状部26通过固定部50连接，这一点与第1实施方式不同。

集合卷110具备具有与第1实施方式相同构成的多个层状体15和支持部件20。支持部件20具有沿着1个方向排列的多个框状部26，各框状部26一个一个地支持着层状体15。层状体15相对于框状部26的位置和大小的关系与第1实施方式相同。

彼此相邻的框状部26是独立的部件而不连续，沿着集合卷110的宽度方向延伸的固定部50位于彼此相邻的框状部26的边界部分。固定部50含有粘合剂或粘接剂，与框状部26接合。固定部50例如可以是粘接带，也可以由热熔粘接剂或紫外线固化型的粘接剂形成。

需要说明的是，如果能够连接彼此相邻的框状部26，则固定部50可以配置在集合卷110的整个宽度方向上，也可以配置在一部分上。另外，固定部50也可以在集合卷110的宽度方向上断续地配置。

另外，在将具备层状体15、支持部件20以及固定部50的带状体卷取成卷状时，为了抑制固定部50与和该固定部50重叠的层状体15接触，可以在带状体的表面和背面的至少一者层叠保护膜。

如图7所示，彼此相邻的框状部26的端面彼此接触。换言之，框状部26以彼此相邻的框状部26的表面即支持基材21A所具有的面沿着1个面排列、并且彼此相邻的框状部26的背面即支持基材21C所具有的面沿着1个面排列的方式排列。

而且，在彼此相邻的框状部26的边界部分中的表面和背面分别配置有固定部50。即，固定部50以跨越彼此相邻的框状部26的支持基材21A的方式位于支持基材21A的表面上，另外，固定部50以跨越彼此相邻的框状部26的支持基材21C的方式位于支持基材21C的表面上。

需要说明的是，如果能够连接彼此相邻的框状部26，则固定部50也可以仅配置在框状部26的边界部分中的表面和背面的一者。从提高框状部26彼此的连接强度的观点来看，优选在上述边界部分中的表面和背面这两者均设置固定部50。另一方面，如果仅在上述边界部分中的表面和背面的一者设置固定部50，则与在表面和背面这两者均设置固定部50的情况相比，能够减小因对上述边界部分配置固定部50而形成的台阶。因此，容易将带状体卷绕成卷状。

固定部50的宽度优选在能够连接彼此相邻的框状部26的范围内较小，例如优选为20mm以下。另外，为了减轻配置有固定部50的部分的台阶、提高配置固定部50的操作的容易性，固定部50的厚度优选为50μm以下。固定部50的厚度的下限例如为10μm。

通过在框状部26的边界部分切断固定部50或剥离固定部50，可以将集合卷110分成各个膜电极接合体10。在通过切断固定部50而分离膜电极接合体10的情况下，在膜电极接合体10的框状部26即垫片部件13A、13C中，在与集合卷110的长度方向对应的方向上的端部上残留被切断的固定部50。具体而言，从沿着高分子电解质膜11的厚度方向的方向观察膜电极接合体10时，被切断的固定部50在框状部26的端部上沿着框状部26的外缘延伸。

需要说明的是，膜电极接合体10的材料和固体高分子型燃料电池40的构成与第1实施方式相同。

根据第2实施方式的集合卷110，由于多个膜电极接合体10集中成卷状，因此膜电极接合体10的保管和输送变得容易。另外，在配置气体扩散层45A、45C等后工序中，由于容易组装到卷对卷方式的制造方法中，因此也可以简便地实施后工序。

另外，与连续地形成有高分子电解质膜11的卷相比，还可以削减形成膜电极接合体10所需的高分子电解质膜11的材料、抑制热压接气体扩散层时的膜电极接合体10的端部的褶皱。

在制造第2实施方式的集合卷110时，首先，与第1实施方式同样地形成层状体15。另外，形成作为支持基材21A和粘接层22A的层叠体的垫片部件13A，同样地，形成作为支持基材21C和粘接层22C的层叠体的垫片部件13C。垫片部件13A、13C形成为与1个膜电极接合体10对应的形状。然后，将垫片部件13A和垫片部件13C粘贴在层状体15上。由此，形成支持层状体15的框状部26，以一个一个地分离的状态形成膜电极接合体10。

接着，通过排列多个膜电极接合体10并在框状部26彼此的边界部分配置固定部50，从而连接多个膜电极接合体10。通过卷绕连接有该多个膜电极接合体10的带状体，形成集合卷110。

在上述制法中，为了整形膜电极接合体10的外形，优选的是，以2个膜电极接合体10的框状部26的端部彼此重叠的方式排列这些膜电极接合体10，并且在框状部26的重叠部分切断框状部26的端部。由此，由于2个膜电极接合体10的切断面即端面的微细朝向一致，因此通过以使这些膜电极接合体10的端面彼此接触的方式排列膜电极接合体10并用固定部50固定，从而能够无间隙地连接相邻的框状部26。

需要说明的是，在上述实施方式中，示例了在集合卷110中以使彼此相邻的框状部26的端面彼此相接的方式连接多个膜电极接合体10的方式，但是多个膜电极接合体10也可以以彼此相邻的框状部26的端部彼此在厚度方向上重叠的方式连接。在这种情况下，虽然在膜电极接合体10的边界部分形成的台阶变大，但是减轻了在接合膜电极接合体10时的位置对准等所需的负荷。

以上，根据第2实施方式的集合卷、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池，除了第1实施方式的(1)～(4)的效果以外，还能够得到以下的效果。

(5)通过将单独形成的膜电极接合体10连接而形成集合卷110。因此，能够利用片对片方式的制造设备形成集合卷110。

符号的说明

10…膜电极接合体

11…高分子电解质膜

11e…外周部

12A、12C…电极催化剂层

13A、13C…垫片部件

15…层状体

19S…端面

20…支持部件

21A、21C…支持基材

22A、22C…粘接层

23A、23C…粘接片

25…开口

26…框状部

31…催化剂物质

32…导电性载体

33…凝聚体

34…纤维状物质

40…固体高分子型燃料电池

41A、41C…隔板

45A、45C…气体扩散层

50…固定部

100、110…集合卷。