(57)【要約】      （修正有）【課題】プロトン伝導性膜表面における含水率を一定に保つための燃料電池用プロトン伝導性膜用補強材を提供する。【解決手段】厚さ方向に貫通する、平面形状が三角以上の多角形である貫通孔を有し、プロトン伝導性膜の少なくとも片面に配置されるプロトン伝導性膜用補強材であって、図３に示される直線Ｅ及び直線Ｇで区切られた範囲をＡ、直線Ｆ及び直線Ｇで区切られた範囲をＢとしたとき、範囲Ａと範囲Ｂが異なる空隙率を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に貫通する貫通孔を有し、プロトン伝導性膜の少なくとも片面に配置されることを特徴とするプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２】
前記補強材を少なくとも二つ以上の領域に分割し、分割された領域ごとに異なる空隙率を有することを特徴とする請求項１記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項３】
請求項１記載の補強材の外縁もしくは表面、または、請求項２記載の少なくとも一つの前記領域の外縁または前記領域内、の任意の２点をＰ、Ｑとし、
任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとの間の長さを基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＧとし、
前記直線Ｅおよび前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇおよび前記直線Ｆで区切られた範囲をＢとしたとき、
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂが異なる前記空隙率を有する、ことを特徴とする請求項１または２記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項４】
請求項１記載の補強材の外縁もしくは表面、または、請求項２記載の少なくとも一つの前記領域の外縁または前記領域内、の３点をＰ、Ｑ、Ｔとし、
前記点Ｔと前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記点Ｔと前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＧとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇと前記直線Ｆで区切られた範囲をＢとしたとき、
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂが異なる前記空隙率を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項５】
請求項１記載の補強材の外縁もしくは表面、または、請求項２記載の少なくとも一つの前記領域の外縁または前記領域内、の３点をＰ、Ｑ、Ｕとし、
前記Ｕと前記点Ｐとの長さは、前記点Ｕと前記点Ｑとの長さよりも短く、
前記点Ｕを中心として前記点Ｐを通る円をＧとし、
前記点Ｕを中心として前記点Ｑを通る円をＨとし、
前記点Ｕを中心とし、前記円Ｇより半径が１／１０〜５／１０大きい円をＩとし、
前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＥとし、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＦとし、前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を０〜１８０度とした場合に、
前記円Ｇ、前記円Ｉ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＡとし、
前記円Ｉ、前記円Ｈ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＢとしたとき、
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂが異なる前記空隙率を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項６】
前記範囲Ａの空隙率が３０％以上であり、
前記範囲Ｂの空隙率が１０％以上である、
ことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項７】
前記範囲Ａおよび／または前記範囲Ｂにおいて、前記補強材の面方向に向かって、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面における貫通孔の面積が増加または減少することを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項８】
前記貫通孔の面積が増加する前記範囲Ａまたは前記範囲Ｂにおいて、
前記貫通孔の面積うち、最小面積に対する最大面積の比が１〜７倍であることを特徴とする請求項７に記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項９】
前記貫通孔の面積が減少する前記範囲Ａまたは前記範囲Ｂにおいて、
前記貫通孔の面積のうち、最大面積に対する最小面積の比が１〜１／３倍であることを特徴とする請求項７または８に記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１０】
前記貫通孔の面積が減少する前記範囲Ａまたは前記範囲Ｂにおいて、
前記貫通孔の最小面積を有する部位における空隙率が、単位面積あたり１０〜３０％であることを特徴とする請求項９に記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１１】
前記範囲Ａと前記範囲Ｂとの境界部における前記貫通孔の面積が同じであることを特徴とする請求項３〜１０のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１２】
請求項１記載の補強材の外縁もしくは表面、または、請求項２記載の少なくとも一つの前記領域の外縁または前記領域内、の２点をＰ、Ｑとし、
任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとの間の長さを基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＧとし、
前記直線Ｆからの長さが前記基準１に対して３／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＨとし、
前記直線Ｅおよび前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇおよび前記直線Ｈで区切られた範囲をＢとし、
前記直線Ｆおよび前記直線Ｈで区切られた範囲をＣとしたとき、
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃが異なる前記空隙率を有する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１３】
請求項１記載の補強材の外縁もしくは表面、または、請求項２記載の少なくとも一つの前記領域の外縁または前記領域内、の３点をＰ、Ｑ、Ｔとし、
前記点Ｔと前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記点Ｔと前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＧとし、
前記直線Ｆからの角度が前記基準１に対して３／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＨとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇと前記直線Ｈで区切られた範囲をＢとし、
前記直線Ｈと前記直線Ｆで区切られた範囲をＣとしたとき、
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃが異なる前記空隙率を有する、ことを特徴とする請求項１〜５、および１２のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１４】
請求項１記載の補強材の外縁もしくは表面、または、請求項２記載の少なくとも一つの前記領域の外縁または前記領域内、の任意の３点をＰ、Ｑ、Ｕとし、
前記Ｕと前記点Ｐとの長さは、前記点Ｕと前記点Ｑとの長さよりも短く、
前記点Ｕを中心として前記点Ｐを通る円をＧとし、
前記点Ｕを中心として前記点Ｑを通る円をＨとし、
前記点Ｕを中心とし、前記円Ｇより半径が１／１０〜５／１０大きい円をＩとし、
前記点Ｕを中心とし、前記円Ｈより半径が３／１０〜５／１０小さい円をＪとし、
前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＥとし、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＦとし、前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を０〜１８０度とした場合に、
前記円Ｇ、前記円Ｉ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれ、かつ補強材表面に存在する範囲を範囲Ａとし、
前記円Ｉ、前記円Ｊ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれ、かつ補強材表面に存在する範囲を範囲Ｂとし、
前記円Ｊ、前記円Ｈ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれ、かつ補強材表面に存在する範囲を範囲Ｃとしとき、
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃが異なる前記空隙率を有する、ことを特徴とする請求項１〜５、１２、および１３のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１５】
前記範囲Ａの空隙率が３０〜６０％であり、
前記範囲Ｂの空隙率が６０％以上であり、
前記範囲Ｃの空隙率が１０％以上である、
ことを特徴とする１２〜１４のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１６】
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃのうちすくなくとも一つの範囲において、前記補強材の面方向に向かって、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面における貫通孔の面積が増加または減少することを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１７】
前記貫通孔の面積が増加する前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、または前記範囲Ｃにおいて、
前記貫通孔の面積うち、最小面積に対する最大面積の比が１〜７倍ことを特徴とする請求項１６に記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１８】
前記貫通孔の面積が減少する前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、または前記範囲Ｃにおいて、
前記貫通孔の面積のうち、最大面積に対する最小面積の比が１〜１／３倍であることを特徴とする請求項１６または１７に記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項１９】
前記貫通孔の面積が減少する前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、または前記範囲Ｃにおいて、
前記貫通孔の最小面積を有する部位における空隙率が、単位面積あたり１０〜３０％であることを特徴とする請求項１８に記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２０】
前記範囲Ａと前記範囲Ｂとの境界部、および／または、前記範囲Ｂと前記範囲Ｃとの境界部、における前記貫通孔の開口部の面積が同じであることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２１】
前記貫通孔の平面形状が矩形であり、前記貫通孔は縦が１０ｍｍ以下であり、横が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２２】
前記貫通孔の平面形状が三角以上の多角形であることを特徴とする請求項１〜２１のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２３】
前記貫通孔の角部が円弧状となっていることを特徴とする請求項２１または２２のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２４】
前記貫通孔の壁面が前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面から１０〜１７０度の角度を有することを特徴とする請求項１〜２３のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２５】
前記貫通孔の壁面が、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面から９０〜１７０度の角度を有することを特徴とする請求項２４に記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２６】
前記貫通孔の壁面が、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面から１０〜９０度の角度を有することを特徴とする請求項２４に記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２７】
前記貫通孔に触媒が充填されていることを特徴とする請求項１〜２６のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２８】
前記補強材の厚さが、５μｍ以上である請求項１〜２７のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用補強材。
【請求項２９】
請求項１〜２８のいずれかに記載の補強材を、少なくとも二つ以上積層されてなるプロトン伝導性膜用複合補強材。
【請求項３０】
厚さ方向に向かって耐熱温度が増加する請求項２９に記載のプロトン伝導性膜用複合補強材。
【請求項３１】
前記複合補強材のプロトン伝導性膜と接する面から反対側の面に向かって耐熱温度が増加する請求項２９または３０に記載のプロトン伝導性膜用複合補強材。
【請求項３２】
前記複合補強材のプロトン伝導性膜と接する面から厚さ５〜５０μｍの範囲に含まれる前記補強材の融点が１６０〜２００℃である請求項３１に記載のプロトン伝導性膜用複合補強材。
【請求項３３】
前記複合補強材の厚さが、１０μｍ以上である請求項３５〜３８のいずれかに記載のプロトン伝導性膜用複合補強材。
【請求項３４】
請求項１〜２８のいずれかに記載の補強材、および／または、請求項２９〜３３のいずれかに記載の複合補強材が、少なくとも片面に配置されたプロトン伝導性膜。
【請求項３５】
請求項１〜２８のいずれかに記載の補強材、および／または、請求項３２〜３３のいずれかに記載の複合補強材の機械的強度が、前記プロトン伝導性膜よりも高いことを特徴とする請求項３４に記載のプロトン伝導性膜。
【請求項３６】
請求項１〜２８のいずれかに記載の補強材が両面に配置され、
一方の面に配置された前記補強材が有する前記貫通孔の位置と、他方の面に配置された前記補強材が有する前記貫通孔の位置と、が対応していることを特徴とする請求項３４または３５に記載のプロトン伝導性膜。
【請求項３７】
カソード側電極触媒層およびアノード側電極触媒層が、プロトン伝導性膜の両面に対向して配置されてなる燃料電池用膜電極接合体において、
前記プロトン伝導性膜が請求項３４〜３６のいずれかに記載のプロトン伝導性膜であることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【請求項３８】
燃料電池用膜電極接合体を、二枚のセパレータで挟持した単位セルを有する燃料電池であって、
前記燃料電池用膜電極接合体が、請求項３７に記載の燃料電池用膜電極接合体であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３９】
請求項３〜２８のいずれかに記載の補強材を有し、
前記範囲Ａから前記範囲Ｂへの方向、および／または、前記範囲Ｂから前記範囲Ｃへの方向が、前記セパレータを流れるガスの流れ方向と同じであることを特徴とする請求項３８に記載の燃料電池。
【請求項４０】
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および／または前記範囲Ｃにおいて、前記補強材の面方向に向かって前記貫通孔の面積が増加または減少し、前記面積の増加方向または減少方向と前記セパレータを流れるガスの流れ方向と、が同じであることを特徴とする請求項３９に記載の燃料電池。
【請求項４１】
請求項１〜２８のいずれかに記載の補強材がプロトン伝導性膜の両面に配置されてなり、
アノード側に配置された前記補強材が有する最大空隙率に対して、カソード側に配置された前記補強材が有する最小空隙率が、同じまたは小さいことを特徴とする請求項３８〜４０のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項４２】
請求項３８〜４１のいずれかに記載の燃料電池を搭載することを特徴とする自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電解質膜等として利用されるプロトン伝導性膜の補強材に関し、より詳細にはプロトン伝導性膜の含水率を均一に調整できる補強材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。燃料電池には、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）などがある。なかでも、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動して高出力密度が得られることから、電気自動車用電源として期待されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜電極接合体（ＭＥＡ）をセパレータで挟持した構造となっている。膜電極接合体は、固体高分子電解質からなるプロトン伝導性膜が一対の電極触媒層およびガス拡散層により挟持されてなるものである。
【０００４】
電極触媒層は、電極反応を促進させるためのＰｔなどの触媒と、固体高分子電解質とを含む。また、ガス拡散層は、カーボンクロスなどの基材、または、ガス拡散性などを向上させるため前記基材上にカーボンと撥水剤とからなるカーボン層などが形成されたものが用いられている。
【０００５】
固体高分子型燃料電池に用いられるプロトン伝導性膜は、電極に挟まれたセパレータとしての機能の他、高いプロトン伝導性などを有することが求められる。そこで、プロトン伝導性膜の厚さは、できるだけ薄い方が望ましい。しかしながら、プロトン伝導性膜は、燃料電池として使用する際に加熱・加湿され、膜厚方向に圧縮される力が加わる。そのため、プロトン伝導性膜の機械的強度が弱いと、膨潤やクリープなどによって膜が変形し、ガスのクロスオーバーが生じ、燃料電池の出力電圧に影響を与えるという問題がある。
【０００６】
そこで、特許文献１に、多孔質樹脂基体膜に固体高分子電解質を含浸して析出させ、前記固体高分子電解質の一部分を前記多孔質樹脂基体膜の少なくとも一方の面にスキン層として形成して得られるプロトン伝導性膜が開示されている。特許文献１によれば、多孔質樹脂基体膜を膜中に配置して支持体として用いることにより、プロトン伝導性膜の機械的強度を補強することができる。
【０００７】
また、プロトン伝導性膜は十分に湿潤していないと高いプロトン伝導性を発揮することができない。プロトン伝導性膜が含有する水分が少なくなると、プロトン伝導性が低下し、燃料電池は所望の性能を満たさなくなる恐れがある。
【０００８】
そこで、特許文献２には、親水性または保水性を有する網目状多孔体にプロトン伝導性樹脂を含浸させてなるプロトン伝導性膜が開示されている。これにより、プロトン伝導性膜内の保水性を向上させるとともに、水分の分布の均一化を図っている。
【特許文献１】特開２００２−３１３３６３号公報
【特許文献２】特開２００４−１８５８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池は、実用化に当たって、長期に亘って高い発電性能を維持することが所望されている。そのため、プロトン伝導性膜は、優れた耐久性を有することが必要である。
【００１０】
プロトン伝導性膜の耐久性の低下としては次のものが挙げられる。すなわち、燃料電池に加湿されたガスが供給されることによりプロトン伝導性膜が湿潤されて膨潤している状態から、運転停止や負荷変化により加湿度合いの低いガスが供給された際に、電極触媒層に接するプロトン伝導性膜表面から水分が奪われて膜表面近傍のみが収縮する。このように、プロトン伝導性膜の表面と内部とで収縮が不均一であると引張応力により膜表面にひび割れが発生し易くなり、プロトン伝導性膜の湿潤／乾燥による膨潤／収縮の繰返しにより生じたひび割れを起点として、プロトン伝導性膜にピンホールなどが発生する恐れがあり機械的強度が低下する恐れがある。
【００１１】
特許文献１に記載のプロトン伝導性膜では、燃料電池の運転初期の機械的強度は向上されている。しかしながら、自動車などに適用した場合に停止を含む過渡運転時において生じる上述したガス湿潤状態の変化の繰返しによって、プロトン伝導性膜の膨潤／収縮も繰返され、特許文献１によるプロトン伝導性膜にはピンホールが発生する恐れがあるなど、十分な耐久性が得られていない問題があった。また、特許文献２のプロトン伝導性膜によっても、膜の表面における水分管理が十分になされていないため、上述したガス湿潤状態の変化の繰返しによってピンホールが発生する恐れがあるなど、十分な耐久性が得られていない。
【００１２】
このように、プロトン伝導性膜の耐久性は、プロトン伝導性膜表面の含水率により大きな影響を受ける。そのため、耐久性に優れるプロトン伝導性膜を得るためには、燃料電池に外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスや、発電反応により生成した水分によるプロトン伝導性膜表面の含水率の影響を最小限に抑えるのが望ましい。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、プロトン伝導性膜表面における含水率を一定に保つためのプロトン伝導性膜用補強材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】
【００１４】
本発明は、厚さ方向に貫通する貫通孔を有し、プロトン伝導性膜の少なくとも片面に配置されることを特徴とするプロトン伝導性膜用補強材を提供することにより上記課題を解決する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のプロトン伝導性膜用補強材によれば、プロトン伝導性膜の機械的強度を向上させつつ、耐久性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の第一は、厚さ方向に貫通する貫通孔を有し、プロトン伝導性膜の少なくとも片面に配置されることを特徴とするプロトン伝導性膜用補強材（単に「補強材」とも記載する）である。
【００１７】
前記補強材は、厚さ方向に貫通する貫通孔を有することにより、補強材内の空隙率、前記貫通孔を透過する加湿されたガスおよび水分の管理を容易に行うことができる。また、本発明では前記補強材をプロトン伝導性膜中ではなく、プロトン伝導性膜の少なくとも片面に配置させる。これにより、プロトン伝導性膜表面の含水率を一定に保つことができ、前記膜表面の過度な湿潤や乾燥によるひび割れなどの発生を抑制して、プロトン伝導性膜の機械的強度を向上させつつ、耐久性を向上させることが可能となる。
【００１８】
本発明の補強材の上面模式図を図１に示す。本発明の補強材１１０は、図１に示すように、補強材１１０における平面形状が同じものからなる貫通孔１１１を少なくとも有すればよい。
【００１９】
前記補強材における空隙率は、好ましくは５０％以上、より好ましくは５０〜９０％とするのがよい。空隙率が５０％未満であると、プロトン伝導性膜の水分管理を十分に行えない恐れがある。
【００２０】
本発明の補強材は、プロトン伝導性膜表面の水分管理を最適化するために、補強材における空隙率を所定の部位に合せて調整するのがよい。
【００２１】
燃料電池に供給される空気などのガスは、図１４（ａ）に示すようにセパレータ１４０におけるガス供給路１４１を通り、例えば、面方向に向かって直線的に一端から相対する一端へと流れる。セパレータのガス入口部付近ではガス中の水蒸気が飽和状態となっておらず、発電反応も他の部位と比較すると活発でないためプロトン伝導性膜表面は乾燥し易い。ガス入口部とガス出口部との中央部では、発電反応が活発となり適度な水分が生成されるためプロトン伝導性膜表面が適度に湿潤される。しかしながら、中央部でガス分圧が低下するためガス出口部付近では発電反応が低下し、さらに、中央部で生成した水分が液滴または水蒸気となって下流に移動するためガス出口部付近ではプロトン伝導性膜表面が過度に膨潤する。このように、プロトン伝導性膜表面では、水分が不均一となる傾向がある。これは燃料電池におけるプロトン伝導性膜表面の特にカソード側において生じ易い。
【００２２】
そのため、プロトン伝導性膜表面の含水率を一定に保つには、プロトン伝導性膜表面における水分布の勾配に併せて、補強材における空隙率を調整し、プロトン伝導性膜の水分管理を最適化するのが望ましい。前記補強材によれば、外部から燃料電池に供給される酸化剤ガスまたは燃料ガスなどによってプロトン伝導性膜表面の含水率が不均一となることを抑制することができ、プロトン伝導性膜の耐久性をより向上させることが可能となる。
【００２３】
本発明の補強材において、プロトン伝導性膜表面における水分布の勾配に併せて空隙率を調整するには、（ｉ）補強材表面に所定の範囲を複数設定し、範囲ごとに異なる空隙率を設定する、または、（ｉｉ）補強材表面を複数の領域に設定し、前記領域の少なくとも一つにおいてさらに所定の範囲を複数設定し、範囲ごとに異なる空隙率を設定する、のが望ましい。以下では、まず、前記（ｉ）の構成について説明する。
【００２４】
（補強材（１））
前記補強材の好ましい一実施形態としては、補強材表面を任意の一定の方向に向かって二つの範囲に分割し、範囲ごとに異なる空隙率を有する補強材が挙げられる。
【００２５】
前記補強材は、特に制限されないが、面方向に向かって直線的に一端から相対する一端へと流れるガス供給路を有する燃料電池におけるプロトン伝導性膜の補強材として用いるのが望ましい。前記補強材として、具体的には下記のものが挙げられる。
【００２６】
前記補強材の外縁または表面の任意の２点をＰ、Ｑとし、
任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとの間の長さを基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＧとし、
前記直線Ｅおよび前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇおよび前記直線Ｆで区切られた範囲をＢとしたとき、
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂが異なる前記空隙率を有する補強材（１）である。前記補強材（１）を図２の模式図を用いてより詳細に説明する。なお、図２においては説明を明確にするため貫通孔は省略した。また、これは後述する図３、４、６〜８、１０ａ、１１においても同様である。
【００２７】
まず、補強材の外縁または表面に任意の２点をとり、それぞれを点Ｐおよび点Ｑとする。前記点Ｐおよび前記点Ｑは、前記補強材が配置されたプロトン伝導性膜を用いて後述する膜電極接合体とした時に、電極触媒層上または膜と電極触媒層の境界部上となるように設定するのがよい。
【００２８】
次に、任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｐを通る直線をＥとし、前記任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｑを通る直線をＦとする。任意の直線（Ｉ）を基準として、直線Ｅおよび直線Ｆを決定することにより、補強材表面に二つの平行な直線を決定する。前記任意の直線（Ｉ）は、特に制限されないが、前記補強材が配置されたプロトン伝導性膜を用いて後述する燃料電池とした際に、燃料電池におけるセパレータを通るガスの流れ方向と直交するように設定するのがよい。
【００２９】
次に、上記の通りにして決定した直線Ｅおよび直線Ｆの間を所定の範囲で区切ることにより、直線Ｅおよび直線Ｆの間に二つの範囲を決定する。具体的には、前記直線Ｅと前記直線Ｆとの間の長さを基準１としたとき、
前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線Ｇとし、前記直線Ｅおよび前記直線Ｇで挟まれた範囲をＡとする。次に、前記直線Ｇおよび前記直線Ｆで挟まれた残りの範囲をＢとする。これにより、補強材表面を二つの範囲を設定することができる。
【００３０】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆ間に設けられる直線Ｇは、前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０とする。直線Ｇの前記直線Ｅからの長さが、１／１０未満であると蒸発による膜乾燥の恐れがあり、５／１０を超えるとガス拡散不足による性能低下の恐れがある。
（補強材（２））
また、本発明の補強材の好ましい一実施形態としては、補強材表面を任意の一定の方向に向かって二つの範囲に分割する形態として、平行な直線間に二つの範囲を設定する上述した補強材（１）の他に、下記補強材も好ましく用いられる。
【００３１】
下記補強材は、特に制限されないが、ガス供給路が曲がり部を有する燃料電池におけるプロトン伝導性膜の補強材として用いるのが望ましい。前記補強材として、具体的には下記のものが挙げられる。
【００３２】
前記補強材の外縁上または表面の任意の３点をＰ、Ｑ、Ｔとし、
前記点Ｔと前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記点Ｔと前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＧとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇと前記直線Ｆで区切られた範囲をＢとしたとき、
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂが異なる前記空隙率を有する補強材（２）である。前記補強材（２）を図３の模式図を用いてより詳細に説明する。
【００３３】
まず、前記補強材の外縁または表面の任意の３点をＰ、Ｑ、Ｔとする。前記点Ｔと前記点Ｐを通る直線をＥとし、前記点Ｔと前記点Ｑを通る直線をＦとする。
【００３４】
次に、上記の通りにして決定した直線Ｅおよび直線Ｆの間を所定の範囲で区切ることにより、直線Ｅおよび直線Ｆの間に二つの範囲を決定する。具体的には、前記直線Ｅおよび前記直線Ｆの間の角度を基準１とし、前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＧとしたとき、
前記直線Ｅと前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、前記直線Ｇおよび前記直線Ｆで区切られた範囲をＢとする。これにより、補強材表面に二つの範囲を決定することができる。
【００３５】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆの間の角度は、特に制限されないが、好ましくは４５〜１８０度、より好ましくは９０〜１８０度となるようにするのがよい。前記角度が、４５度未満であると、補強剤（１）でも対応可能であるため設計が煩雑化する恐れがあり、１８０度を超えると流路が交差するのを回避するためにガス反応面積が減少し性能低下する恐れがある。
【００３６】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆ間に設けられる直線Ｇは、前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０とする。直線Ｇの前記直線Ｅからの角度が、１／１０未満であると蒸発による膜乾燥する恐れがあり、５／１０を超えるとガス拡散不足による性能低下する恐れがある。
（補強材（３））
また、本発明の補強材の好ましい一実施形態としては、補強材表面を任意の一定の方向に向かって二つの範囲に分割する上述した補強材（１）および（２）の他にも、補強材表面を円状に二つの範囲に分割する補強材であってもよい。
【００３７】
下記補強材は、特に制限されないが、ガス供給路が曲がり部を有する燃料電池におけるプロトン伝導性膜の補強材として用いるのが望ましい。
【００３８】
前記補強材として、具体的には下記のものが挙げられる。
【００３９】
前記補強材の外縁上または表面の任意の３点をＰ、Ｑ、Ｕとし、
前記Ｕと前記点Ｐとの長さは、前記点Ｕと前記点Ｑとの長さよりも短く、
前記点Ｕを中心として前記点Ｐを通る円をＧとし、
前記点Ｕを中心として前記点Ｑを通る円をＨとし、
前記点Ｕを中心とし、前記円Ｇより半径が１／１０〜５／１０大きい円をＩとし、
前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＥとし、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＦとし、前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を０〜１８０度とした場合に、
前記円Ｇ、前記円Ｉ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲Ａとし、
前記円Ｉ、前記円Ｈ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲Ｂとしたとき、
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂが異なる前記空隙率を有する補強材（３）である。前記補強材（３）を図４の模式図を用いて説明する。
【００４０】
まず、前記補強材の外縁または表面の任意の３点をとり、それぞれを点Ｐ、点Ｑ、および点Ｕとする。このとき、前記点Ｐの前記点Ｕからの長さは、前記点Ｑの前記点Ｕからの長さよりも短くする。
【００４１】
次に、補強材表面を二つの範囲に分割するために基準とする円を設定する。すなわち、前記点Ｕを中心として前記点Ｐを通る円をＧとし、前記点Ｕを中心として前記点Ｑを通る円をＨとし、さらに、前記点Ｕを中心とし、前記円Ｇより半径が１／１０〜５／１０大きい円をＩとする。前記点Ｐの前記点Ｕからの長さを、前記点Ｑの前記点Ｕからの長さよりも短くすることにより、前記円Ｈは前記円Ｇよりも半径が小さくなる。
【００４２】
次に、上記の通りにして決定した円により、補強材表面を円状に二つの範囲を設定する。すなわち、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＥとし、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＦとし、前記直線Ｅと前記直線Ｆとの角度が０〜１８０度としたとき、前記円Ｇ、前記円Ｉ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＡとし、前記円Ｉ、前記円Ｈ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＢとする。
【００４３】
前記点Ｕは、前記補強材表面において、電極触媒層と接する部位に配置されるのが望ましい。
【００４４】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆの間の角度は、０〜１８０度、より好ましくは４５〜１８０度、特に好ましくは９０〜１８０度となるようにするのがよい。前記角度が、１８０度を超えると流路が交差するのを回避するためにガス反応面積が減少し性能低下する恐れがある。
【００４５】
前記円Ｇおよび前記円Ｈの間に設けられる円Ｉは、前記円Ｇよりも半径を１／１０〜５／１０大きくする。直線Ｇに対して円Ｉの半径が、１／１０未満であるとガス流速差により円Iの内外でガス中の水分が結露とプロトン伝導膜の膨潤差によるストレスが発生し膜が破損する恐れがあり、５／１０を超えると反応ガスの拡散を阻害し性能が低下する恐れがある。
【００４６】
上述した補強材（１）〜（３）では、補強材表面を範囲Ａおよび範囲Ｂの二つの範囲に分割し、範囲ごとに異なる空隙を有する。
【００４７】
前記範囲Ａにおける空隙率は、好ましくは３０％以上であり、より好ましくは３０〜５０％とするのがよい。前記範囲Ｂにおける空隙率は、好ましくは１０％以上であり、より好ましくは１０〜５０％とするのがよい。
【００４８】
本発明においては、供給されたガスの湿度が低くプロトン伝導性膜の乾燥が生じ易い部位の他、発電反応による生成水や湿度の高いガスなどによってプロトン伝導性膜表面が過度に湿潤する部位では補強材の空隙率を低くし、発電反応による生成水や供給されたガスによってプロトン伝導性膜表面が適度に湿潤する部位では補強材の空隙率を高くするのが望ましい。これらの観点から、前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂにおける空隙率をそれぞれ上記範囲内とすることにより、プロトン伝導性膜表面の水分管理を適切に行うことができる。
【００４９】
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂにおいては、補強材の面方向に向かって、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面における貫通孔の面積を異ならせてもよい。これによりプロトン伝導性膜表面の水分管理をより最適化することができる。例えば、図５に示すように、上述した補強材（１）において、範囲Ａにおける貫通孔の面積が面方向に向かって増加する構成などがある。
【００５０】
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂの各範囲においては、補強材の面方向に向かって、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面における空隙率を増加または減少させるのが好ましい。これにより、プロトン伝導性膜表面の水分管理をより最適化することができる。空隙率を増加または減少させるのは、範囲Ａおよび範囲Ｂのうち、少なくとも一方でもよく、双方であってもよい。
【００５１】
前記範囲Ａまたは前記範囲Ｂにおいて面方向に向かって空隙率を増加させる場合、前記貫通孔の面積うち、最小面積に対する最大面積の比が１〜７倍、より好ましくは１倍を超え７倍以下、特に好ましくは３〜７倍とするのがよい。前記空隙率が７倍以上であると、最小面積部での発電効率低下や最大面積部で凝縮によるプロトン伝導性膜面内の膨潤ストレス発生の恐れがある。
【００５２】
前記範囲Ａまたは前記範囲Ｂにおいて面方向に向かって空隙率を減少させる場合、前記貫通孔の面積のうち、最大面積に対する最小面積の比が１〜１／３倍、より好ましくは１倍を超え１／３倍以下、特に好ましくは１／２〜１／３倍とするのがよい。前記空隙率が１倍以上であると、最小面積部での発電効率低下や最大面積部で凝縮によるプロトン伝導性膜面内の膨潤ストレス発生の恐れがある。
【００５３】
面方向に向かって空隙率を減少させる前記範囲Ａまたは前記範囲Ｂにおいて、前記貫通孔の最小面積を有する部位における空隙率が、単位面積あたり１０〜３０％とするのがよい。
【００５４】
なお、単位面積当たりとは、補強材表面の１ｃｍ×１ｃｍの範囲を有する任意の面あたりとする。また、前記面方向に向かってとは、外部から供給されるガスが燃料電池におけるセパレータを流れる方向に合わせるのが好ましい。これにより、プロトン伝導性膜表面の水分管理をより最適化することができる。
【００５５】
上述した補強材（１）〜（３）では、範囲Ａと範囲Ｂとの境界部における貫通孔の面積を同じにするのが望ましい。これにより、空隙率の急激な変化による補強材内のストレスを抑制し、補強材の機械的強度を向上させることができる。
【００５６】
本発明の補強材として、上述した補強材（１）〜（３）は、二つの範囲を有するものであったが、これに限定されず、三つの範囲を有する補強材であってもよい。
【００５７】
（補強材（４））
前記補強材の好ましい一実施形態としては、補強材表面を任意の一定の方向に向かって三つの範囲に分割し、範囲ごとに異なる空隙率を有する補強材が挙げられる。
【００５８】
前記補強材は、特に制限されないが、面方向に向かって直線的に一端から相対する一端へと流れるガス供給路を有する燃料電池におけるプロトン伝導性膜の補強材として用いるのが望ましい。前記補強材として、具体的には下記のものが挙げられる。
【００５９】
前記補強材の外縁または表面の任意の２点をＰ、Ｑとし、
任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとの間の長さを基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＧとし、
前記直線Ｆからの長さが前記基準１に対して３／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＨとし、
前記直線Ｅおよび前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇおよび前記直線Ｈで区切られた範囲をＢとし、
前記直線Ｆおよび前記直線Ｈで区切られた範囲をＣとしたとき、
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃが異なる前記空隙率を有する補強材（４）である。前記補強材（４）を図６の模式図を用いてより詳細に説明する。
【００６０】
まず、前記補強材の外縁または表面の任意の２点をＰ、Ｑとする。前記点Ｐおよび前記点Ｑは、前記補強材が配置されたプロトン伝導性膜を用いて後述する膜電極接合体とした時に、電極触媒層上または膜と電極触媒層の境界部上となるように設定するのがよい。
【００６１】
次に、任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｐを通る直線をＥとし、前記任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｑを通る直線をＦとする。任意の直線（Ｉ）を基準として、直線Ｅおよび直線Ｆを決定することにより、補強材表面に二つの平行な直線を決定する。前記任意の直線（Ｉ）は、特に制限されないが、前記補強材が配置されたプロトン伝導性膜を用いて後述する燃料電池とした際に、燃料電池におけるセパレータを通るガスの流れ方向と直交するように設定するのがよい。
【００６２】
次に、上記の通りにして決定した直線Ｅおよび直線Ｆの間を所定の範囲で区切ることにより、直線Ｅおよび直線Ｆの間に二つの領域を決定する。具体的には、前記直線Ｅと前記直線Ｆとの間の長さを基準１とし、
前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＧとし、
前記直線Ｆからの長さが前記基準１に対して３／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＨとしたとき、
前記直線Ｅおよび前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇおよび前記直線Ｈで区切られた範囲をＢとし、
前記直線Ｈおよび前記直線Ｆで区切られた範囲をＣとする。これにより、補強材表面を三つの範囲に区切ることができる。
【００６３】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆ間に設けられる直線Ｇは、前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０とする。直線Ｇの前記直線Ｅからの長さが、１／１０未満であると蒸発による膜乾燥の恐れがあり、５／１０を超えるとガス拡散不足による性能低下の恐れがある。
【００６４】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆ間に設けられる直線Ｈは、前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して３／１０〜５／１０とする。直線Ｇの前記直線Ｅからの長さが、３／１０未満であると凝縮によるプロトン伝導性膜面内での膨潤差によるストレス発生の恐れがあり、５／１０を超えるとガス拡散不足による性能低下の恐れがある。
（補強材（５））
本発明の補強材において、補強材表面を任意の一定の方向に向かって三つの範囲に分割する形態として、平行な直線間に三つの範囲を設定する上述した補強材（４）の他に、下記補強材も好ましく用いられる。
【００６５】
下記補強材は、特に制限されないが、ガス供給路が曲がり部を有する燃料電池におけるプロトン伝導性膜の補強材として用いるのが望ましい。前記補強材として、具体的には下記のものが挙げられる。
【００６６】
前記補強材の外縁または面内の任意の３点をＰ、Ｑ、Ｔとし、
前記点Ｔと前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記点Ｔと前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＧとし、
前記直線Ｆからの角度が前記基準１に対して３／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＨとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇと前記直線Ｈで区切られた範囲をＢとし、
前記直線Ｈと前記直線Ｆで区切られた範囲をＣとしたとき、
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃが異なる前記空隙率を有する補強材（５）である。前記補強材（５）の模式図を図７を用いて説明する。
【００６７】
まず、前記補強材の外縁または表面の任意の３点をＰ、Ｑ、Ｔとする。
【００６８】
次に、前記点Ｔと前記点Ｐを通る直線をＥとし、前記点Ｔと前記点Ｑを通る直線をＦとする。
【００６９】
次に、上記の通りにして決定した直線Ｅおよび直線Ｆの間を所定の範囲で区切ることにより、直線Ｅおよび直線Ｆの間に三つの範囲を決定する。具体的には、前記直線Ｅおよび前記直線Ｆの間の角度を基準１とし、
前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＧとし、
前記直線Ｆからの角度が前記基準１に対して３／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＨとしたとき、
前記直線Ｅと前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇと前記直線Ｈで区切られた範囲をＢとし、
前記直線Ｆと前記直線Ｆで区切られた範囲をＣとする。これにより、補強材表面を三つの範囲に区切ることができる。
【００７０】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆの間の角度は、特に制限されないが、好ましくは４５〜１８０度、より好ましくは９０〜１８０度となるようにするのがよい。前記角度が、４５度未満であると、補強剤（１）でも対応可能であるため設計が煩雑化する恐れがあり、１８０度を超えると流路が交差するのを回避するためにガス反応面積が減少し性能低下する恐れがある。
【００７１】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆ間に設けられる直線Ｇは、前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０とする。直線Ｇの前記直線Ｅからの角度が、１／１０未満であると蒸発による膜乾燥する恐れがあり、５／１０を超えるとガス拡散不足による性能低下する恐れがある。
【００７２】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆ間に設けられる直線Ｈは、前記直線Ｆからの角度が前記基準１に対して３／１０〜５／１０とする。直線Ｇの前記直線Ｅからの角度が、３／１０未満であると凝縮によるプロトン伝導性膜面内での膨潤差によるストレス発生の恐れがあり、５／１０を超えるとガス拡散不足による性能低下の恐れがある。
（補強材（６））
本発明の補強材において、少なくとも三つ以上の範囲に分割する好ましい形態として、補強材表面を任意の一定の方向に向かって三つの範囲を設定する上述した補強材（４）および（５）の他にも、補強材表面を円状に三つの範囲を設定する補強材であってもよい。
【００７３】
前記補強材は、特に制限されないが、ガス供給路が曲がり部を有する燃料電池におけるプロトン伝導性膜の補強材として用いるのが望ましい。前記補強材として、具体的には下記のものが挙げられる。
【００７４】
前記補強材の外縁または表面の任意の３点をＰ、Ｑ、Ｕとし、
前記Ｕと前記点Ｐとの長さは、前記点Ｕと前記点Ｑとの長さよりも短く、
前記点Ｕを中心として前記点Ｐを通る円をＧとし、
前記点Ｕを中心として前記点Ｑを通る円をＨとし、
前記点Ｕを中心とし、前記円Ｇより半径が１／１０〜５／１０大きい円をＩとし、
前記点Ｕを中心とし、前記円Ｈより半径が３／１０〜５／１０小さい円をＪとし、
前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＥとし、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＦとし、前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角が０〜１８０度とした場合に、
前記円Ｇ、前記円Ｉ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＡとし、
前記円Ｉ、前記円Ｊ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＢとし、
前記円Ｊ、前記円Ｈ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＣとしとき、
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃが異なる前記空隙率を有する補強材（６）である。前記補強材（６）を図８の模式図を用いてより詳細に説明する。
【００７５】
まず、前記補強材の外縁または表面の任意の３点をとり、それぞれを点Ｐ、点Ｑ、および点Ｕとする。このとき、前記点Ｐの前記点Ｕからの長さは、前記点Ｑの前記点Ｕからの長さよりも短くする。
【００７６】
次に、補強材表面を三つの範囲を設定するために基準とする円を設定する。すなわち、前記点Ｕを中心として前記点Ｐを通る円をＧとし、前記点Ｕを中心として前記点Ｑを通る円をＨとし、前記点Ｕを中心とし、前記円Ｇより半径が１／１０〜５／１０大きい円をＩとし、前記点Ｕを中心とし、前記円Ｈより半径が３／１０〜５／１０小さい円をＪとし、さらに、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＥとし、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＦとし、前記直線Ｅと前記直線Ｆとの角度が０〜１８０度とする。前記点Ｐの前記点Ｕからの長さを、前記点Ｑの前記点Ｕからの長さよりも短くすることにより、前記円Ｈは前記円Ｇよりも半径が小さくなる。
【００７７】
次に、前記円Ｇ、前記円Ｉ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＡとし、
前記円Ｉ、前記円Ｊ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＢとし、
前記円Ｊ、前記円Ｈ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＣとすることにより、補強材表面を円状に三つの範囲を設定することができる。
【００７８】
前記直線Ｅおよび前記直線Ｆの間の角度は、０〜１８０度、より好ましくは４５〜１８０度、特に好ましくは９０〜１８０度となるようにするのがよい。前記角度が、４５度未満であると、補強剤（１）でも対応可能であるため設計が煩雑化する恐れがあり、１８０度を超えると流路が交差するのを回避するためにガス反応面積が減少し性能低下する恐れがある。
【００７９】
前記円Ｇおよび前記円Ｈの間に設けられる円Ｉは、前記円Ｇよりも半径を１／１０〜５／１０大きくする。直線Ｇに対して円Ｉの半径が、１／１０未満であるとガス流速低下によりガス中の水分が結露することで円Iの内と外でプロトン伝導膜の膨潤差によるストレスが発生し膜が破損する恐れがあり、５／１０を超えるとガス流速低下によりガス中の水分が結露することで反応ガスの拡散を阻害し性能が低下する恐れがある。
【００８０】
前記円Ｇおよび前記円Ｈの間に設けられる円Ｊは、前記円Ｈよりも半径を３／１０〜５／１０小さくする。直線Ｈに対して円Ｊの半径が、３／１０未満であるとガス流速差により円Jの内外でプロトン伝導性膜の蒸発による乾燥で膨潤差によるストレスが発生し膜が破損する恐れがあり、５／１０を超えると反応ガスの拡散を阻害し性能が低下する恐れがある。
【００８１】
前記点Ｕは、前記補強材表面において、電極触媒層と接する部位に配置されるのが望ましい。
【００８２】
上述した補強材（４）〜（６）は、補強材表面を範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃの三つの範囲を有し、範囲ごとに異なる空隙を有する。
【００８３】
前記範囲Ａにおける空隙率は、好ましくは３０〜６０％であり、より好ましくは３０〜５０％とするのがよい。前記範囲Ｂにおける空隙率は、好ましくは６０％以上であり、より好ましくは６０〜９０％とするのがよい。前記範囲Ｃにおける空隙率は、好ましくは１０％以上であり、より好ましくは１０〜５０％とするのがよい。
【００８４】
本発明においては、補強材（１）〜（３）において説明した通り、プロトン伝導性膜の乾燥が生じ易い部位およびプロトン伝導性膜表面が過度に湿潤する部位では補強材の空隙率を低くし、プロトン伝導性膜表面が適度に湿潤する部位では補強材の空隙率を高くするのが望ましい。これらの観点から、前記範囲Ａ〜Ｃにおける空隙率をそれぞれ上記範囲内とすることにより、プロトン伝導性膜表面の水分管理を適切に行うことができる。
【００８５】
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃの各範囲においては、補強材の面方向に向かって、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面における貫通孔の面積を異ならせてもよい。これによりプロトン伝導性膜表面の水分管理をより最適化することができる。
【００８６】
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃにおいては、補強材の面方向に向かって、貫通孔の面積を増加または減少させるのが好ましい。また、空隙率を増加または減少させるのは、前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃのうち少なくとも一つであればよい。また、前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃのうち、いずれか一つにおいて貫通孔の面積を増加させ、残りのいずれか一つにおいて貫通孔の面積を減少させるなどして、貫通孔の面積を減少および増加させるのを組み合わせてもよい。
【００８７】
例えば、図９に示すように、上述した補強材（４）において、範囲Ａにおける貫通孔の面積が面方向に向かって増加し、範囲Ｃにおける貫通孔の面積が面方向に向かって減少する構成などがある。
【００８８】
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、または前記範囲Ｃにおいて面方向に向かって貫通孔の面積を増加させる場合、前記貫通孔の面積うち、最小面積に対する最大面積の比が１〜７倍、より好ましくは１倍を超え７倍以下、特に好ましくは３〜７倍とするのがよい。前記空隙率が７倍以上であると、最小面積部での発電効率低下や最大面積部で凝縮によるプロトン伝導性膜面内の膨潤ストレス発生の恐れがある。
【００８９】
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、または前記範囲Ｃにおいて面方向に向かって空隙率を減少させる場合、前記貫通孔の面積のうち、最大の面積に対する最小の面積の比が１〜１／３倍、より好ましくは１倍を超え１／３倍以下、特に好ましくは１／２〜１／３倍とするのがよい。前記空隙率が１倍以上であると、最小面積部での発電効率低下や最大面積部で凝縮によるプロトン伝導性膜面内の膨潤ストレス発生の恐れがある。
【００９０】
面方向に向かって空隙率を減少させる前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、または前記範囲Ｃにおいて、前記貫通孔の最小面積を有する部位における空隙率が、単位面積あたり１０〜３０％とするのがよい。
【００９１】
なお、前記面方向に向かってとは、外部から供給されるガスが燃料電池におけるセパレータを流れる方向に合わせるのが好ましい。また、単位面積あたりについては、上述した通りである。
【００９２】
上述した補強材（４）〜（６）では、範囲Ａと範囲Ｂとの境界部、および／または、範囲Ａと範囲Ｃとの境界部における貫通孔面積を同じにするのが望ましい。これにより、貫通孔面積の急激な変化によるプロトン伝導性膜の面内のストレスを抑制し、プロトン伝導性膜の耐久性を向上させることができる。
【００９３】
本発明の補強材では、補強材（１）〜（６）における範囲Ａ、範囲Ｂ、または範囲Ｃを、ガスの流れ方向に向かって範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃの順となるように配置するのがよい。
【００９４】
プロトン伝導性膜表面は、アノード側は乾燥し易いが、カソード側は特にガス出口側で膨潤し易い。従って、補強材（１）〜（６）における範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃの空隙率は、アノード側およびカソード側のそれぞれにおいて所定の範囲内とするのが望ましい。補強材（１）〜（６）における範囲Ａ、範囲Ｂ、または範囲Ｃにおける空隙率としてより好ましい値を下記表１に示す。また、表１において、範囲数が１である補強材とは、図１に示すように、平面形状が同じものからなる貫通孔１１１を有する補強材１１０である。
【００９５】
補強材（１）〜（６）における範囲Ａにおいては、ガスの流れ方向に向かって空隙率が増加するのが好ましい。補強材（１）〜（３）の範囲Ｂにおいては、ガスの流れ方向に向かって空隙率が減少するのが好ましい。補強材（４）〜（６）の範囲Ｂにおいては、ガスの流れ方向に向かって空隙率が増加しても減少してもよい。さらに、補強材（４）〜（６）の範囲Ｃにおいては、ガスの流れ方向に向かって空隙率が減少しているのがよい。
【００９６】
このように、補強材（１）〜（６）が有する各範囲において空隙率を変えることにより、プロトン伝導性膜表面の水分管理をより最適化することができる。プロトン伝導性膜表面の水分管理の観点からは、各範囲における空隙増加率または空隙減少率は、アノード側とカソード側とでそれぞれ適切に設定するのがよく、それぞれの好ましい範囲を表１に示す。また、空隙増加率または空隙減少率については、上述の通りである。
【００９７】
【表１】
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【００９８】
本発明の補強材における空隙率は、補強材の空隙部を型抜く治具または補強材自体の空隙の寸法測定と各空隙サイズでの個数把握によって測定することができる。二つ以上の範囲において空隙率が異なる補強材において、各範囲における空隙率は、補強材の空隙部を型抜く治具または補強材自体の空隙の寸法測定と各空隙サイズでの個数把握によって測定することができる。また、範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃのいずれかにおいて面方向に向かって空隙率が減少または増加する補強材において、各範囲における空隙率の増加または減少は補強材の空隙部を型抜く治具または補強材自体の空隙の寸法測定と各空隙サイズでの個数把握によって測定できる。
【００９９】
次に、以下では、本発明の補強材における上述した（ｉｉ）の構成について説明する。
【０１００】
本発明の補強材では、すなわち、補強材表面を複数の領域に分割し、前記領域の少なくとも一つにおいてさらに所定の範囲を複数設定し、範囲ごとに異なる空隙率を有する領域であるのがより好ましい。これにより、プロトン伝導性膜表面の水分管理をより最適化することができる。
【０１０１】
前記補強材表面を複数の領域に分割するには、燃料電池に組み込んだ際にセパレータを流れるガスの湿度、および、プロトン伝導性膜表面の含水率などに合わせて行うのが好ましい。
【０１０２】
燃料電池に外部から供給されるガスはセパレータを所定の方向に向かって流れるとともに、前記ガスの一部が電極触媒層へと拡散する。セパレータ中を流れるガスの方向としては、図１４（ａ）に示すセパレータ１４０のようにガス入口側からガス出口側へ向かって直線的に流れるものの他、図１４（ｂ）に示すセパレータ１４０のようにガス入口側からガス出口側へ向かって蛇行するものなどがある。かようなガスの流れは、一般的には、セパレータにガス供給路１４１を設けることにより決定される。なお、図１４において、セパレータ１４０は、酸化剤ガスのマニホルド穴１４２、燃料ガスのマニホルド穴１４３、および冷却水のマニホルド穴１４４を有し、ガス流路溝１４１などを有する。
【０１０３】
図１４（ｂ）に示すセパレータでは、ガス入口部付近ではガス中の水蒸気が飽和状態となっておらず、発電反応も他の部位と比較すると活発でないためプロトン伝導性膜表面は乾燥し易い。ガス入口部とガス出口部との中央部では、発電反応が活発となり適度な水分が生成されるためプロトン伝導性膜表面が適度に湿潤される。しかしながら、中央部でガス分圧が低下するためガス出口部付近では発電反応が低下し、さらに、中央部で生成した水分が液滴または水蒸気となって下流に移動するためプロトン伝導性膜表面は過度に膨潤される。さらに、ガスの流れが蛇行する部位の特に隅部ではガスの流れが遅くなることにより、ガスの湿度が高くなる傾向があり、ガス供給路が蛇行する部位全体では、ガス流速が異なるため、内側に配置されたガス供給路でガスの湿度がより高くなる傾向がある。
【０１０４】
プロトン伝導性膜表面の水分管理を最適化するためには、供給されたガスの湿度が低くプロトン伝導性膜の乾燥が生じ易い部位の他、発電反応による生成水や湿度の高いガスなどによってプロトン伝導性膜表面が過度に湿潤する部位では補強材の空隙率を低くし、発電反応による生成水や供給されたガスによってプロトン伝導性膜表面が適度に湿潤する部位では補強材の空隙率を高くするのが望ましい。
【０１０５】
そこで、本発明の補強材は、セパレータを流れるガスの湿度、および、プロトン伝導性膜表面の含水率などに合せて、補強材表面を矩形状など少なくとも二つ以上の領域に分割し、複数設けた領域の少なくとも一つにおいてさらに所定の範囲を複数設定し、範囲ごとに異なる空隙率を有するものがより好ましい形態として挙げられる。
【０１０６】
前記領域のうち少なくとも一つに、所定の範囲をさらに複数設定し、範囲ごとに異なる空隙率を有する領域とするには、具体的には、上述した補強材（１）〜（６）のうち少なくとも１つと同様にして所定の範囲を複数設定するのが望ましい。
【０１０７】
このように補強材表面に複数設けられた領域のうちの少なくとも一つとしては、下記のものが好ましく挙げられる。
【０１０８】
少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内の任意の２点をＰ、Ｑとし、
任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとの間の長さを基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＧとし、
前記直線Ｅおよび前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇおよび前記直線Ｆで区切られた範囲をＢとしたとき、
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂが異なる前記空隙率を有する領域（１）が好ましく挙げられる。
【０１０９】
なお、上記領域（１）において、領域内に範囲Ａおよび範囲Ｂを設定するために、前記点Ｐおよび前記点Ｑを少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内に設定する以外は、上述した補強材（１）と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１１０】
また、前記補強材表面に複数設けられた領域のうちの少なくとも一つとしては、下記のものが好ましく挙げられる。
【０１１１】
少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内、の３点をＰ、Ｑ、Ｔとし、
前記点Ｔと前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記点Ｔと前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＧとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇと前記直線Ｆで区切られた範囲をＢとしたとき、
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂが異なる前記空隙率を有する領域（２）が好ましく挙げられる。
【０１１２】
なお、上記領域（２）は、領域内に範囲Ａおよび範囲Ｂを設定するために、前記点Ｐ、前記点Ｑ、前記点Ｔを少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内に設定する以外は、上述した補強材（２）と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１１３】
また、前記補強材表面に複数設けられた領域のうちの少なくとも一つとしては、下記のものが好ましく挙げられる。
【０１１４】
少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内、の３点をＰ、Ｑ、Ｕとし、
前記Ｕと前記点Ｐとの長さは、前記点Ｕと前記点Ｑとの長さよりも短く、
前記点Ｕを中心として前記点Ｐを通る円をＧとし、
前記点Ｕを中心として前記点Ｑを通る円をＨとし、
前記点Ｕを中心とし、前記円Ｇより半径が１／１０〜５／１０大きい円をＩとし、
前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＥとし、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＦとし、前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を０〜１８０度とした場合に、
前記円Ｇ、前記円Ｉ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＡとし、
前記円Ｉ、前記円Ｈ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれた範囲をＢとしたとき、
前記範囲Ａおよび前記範囲Ｂが異なる前記空隙率を有する領域（３）である。
【０１１５】
なお、上記領域（３）は、領域内に範囲Ａおよび範囲Ｂを設定するために、前記点Ｐ、前記点Ｑ、前記点Ｕを少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内に設定する以外は、上述した補強材（３）と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１１６】
上記領域（１）〜（３）では、補強材表面における少なくとも一つの領域を範囲Ａおよび範囲Ｂの二つの範囲に分割し、範囲ごとに異なる空隙を有する。範囲Ａおよび範囲Ｂにおいては、補強材の面方向に向かって、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面における貫通孔の面積を異ならせてもよい。また、範囲Ａと範囲Ｂとの境界部における貫通孔の面積を同じにするのが望ましい。なお、これらについては、補強材（１）〜（３）において上記で説明したのと同様である。
【０１１７】
さらに、前記補強材表面に複数設けられた領域のうちの少なくとも一つとしては、下記のものが好ましく挙げられる。
【０１１８】
少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内、の２点をＰ、Ｑとし、
任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記任意の直線（Ｉ）と平行であり、前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとの間の長さを基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの長さが前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＧとし、
前記直線Ｆからの長さが前記基準１に対して３／１０〜５／１０であり、かつ、前記任意の直線（Ｉ）と平行な直線をＨとし、
前記直線Ｅおよび前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇおよび前記直線Ｈで区切られた範囲をＢとし、
前記直線Ｆおよび前記直線Ｈで区切られた範囲をＣとしたとき、
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃが異なる前記空隙率を有する領域（４）である。
【０１１９】
なお、上記領域（４）において、領域内に範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃを設定するために、前記点Ｐおよび前記点Ｑを少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内に設定する以外は、上述した補強材（４）と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１２０】
さらに、前記補強材表面に複数設けられた領域のうちの少なくとも一つとしては、下記のものが好ましく挙げられる。
【０１２１】
少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内、の３点をＰ、Ｑ、Ｔとし、
前記点Ｔと前記点Ｐを通る直線をＥとし、
前記点Ｔと前記点Ｑを通る直線をＦとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を基準１とした場合に、
前記直線Ｅからの角度が前記基準１に対して１／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＧとし、
前記直線Ｆからの角度が前記基準１に対して３／１０〜５／１０であり、かつ、前記点Ｔを通る直線をＨとし、
前記直線Ｅと前記直線Ｇで区切られた範囲をＡとし、
前記直線Ｇと前記直線Ｈで区切られた範囲をＢとし、
前記直線Ｈと前記直線Ｆで区切られた範囲をＣとしたとき、
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃが異なる前記空隙率を有する領域（５）である。
【０１２２】
なお、上記領域（５）において、領域内に範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃを設定するために、前記点Ｐ、前記点Ｑ、前記点Ｔを少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内に設定する以外は、上述した補強材（５）と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１２３】
さらに、前記補強材表面に複数設けられた領域のうちの少なくとも一つとしては、下記のものが好ましく挙げられる。
【０１２４】
少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内、３点をＰ、Ｑ、Ｕとし、
前記Ｕと前記点Ｐとの長さは、前記点Ｕと前記点Ｑとの長さよりも短く、
前記点Ｕを中心として前記点Ｐを通る円をＧとし、
前記点Ｕを中心として前記点Ｑを通る円をＨとし、
前記点Ｕを中心とし、前記円Ｇより半径が１／１０〜５／１０大きい円をＩとし、
前記点Ｕを中心とし、前記円Ｈより半径が３／１０〜５／１０小さい円をＪとし、
前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＥとし、前記点Ｕを通りかつ前記補強材表面にある直線をＦとし、前記直線Ｅと前記直線Ｆとがなす角を０〜１８０度とした場合に、
前記円Ｇ、前記円Ｉ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれ、かつ補強材表面に存在する範囲を範囲Ａとし、
前記円Ｉ、前記円Ｊ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれ、かつ補強材表面に存在する範囲を範囲Ｂとし、
前記円Ｊ、前記円Ｈ、前記直線Ｅ、および前記直線Ｆで囲まれ、かつ補強材表面に存在する範囲を範囲Ｃとしとき、
前記範囲Ａ、前記範囲Ｂ、および前記範囲Ｃが異なる前記空隙率を有する領域（６）である。
【０１２５】
なお、上記領域（６）において、領域内に範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃを設定するために、前記点Ｐ、前記点Ｑ、前記点Ｕを少なくとも一つの領域の外縁または前記領域内に設定する以外は、上述した補強材（６）と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１２６】
上記領域（４）〜（６）では、補強材表面における少なくとも一つの領域を範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃの三つの範囲に分割し、範囲ごとに異なる空隙を有する。範囲Ａ〜Ｃにおいては、補強材の面方向に向かって、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面における貫通孔の面積を異ならせてもよい。また、範囲Ａと範囲Ｂとの境界部、および／または、範囲Ｂと範囲Ｃとの境界部における貫通孔の面積を同じにするのが望ましい。なお、これらについては、補強材（４）〜（６）において上記で説明したのと同様である。
【０１２７】
本発明の補強材は、上述した通り、前記補強材を複数の領域に分割し、燃料電池に組み込んだ際にセパレータを流れるガスの湿度、および、プロトン伝導性膜表面の含水率などに合わせて行うのが好ましい。このような形態を有する上述した補強材の好ましい一実施形態を図１０および図１１を用いて説明する。
【０１２８】
図１０（ａ）に示す補強材は、蛇行状のガス流路を有するセパレータにおけるガスの流れ方向とプロトン伝導性膜表面の含水率に併せて補強材表面に矩形状の複数の領域を設定し、さらに各領域に範囲Ａ〜Ｃを設定した領域（４）および領域（５）を配置したものである。図１０（ａ）の補強材では、領域（４）がセパレータにおけるガス流路が直線状となっている部位に配置され、領域（５）がセパレータにおけるガス流路が蛇行する隅部を含む部位に配置されている。また、前記補強材における各領域における範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃのそれぞれの空隙率を図１０（ｂ）に示す。なお、図１０（ｂ）に示すグラフでは、横軸に記載している領域（４）および領域（５）の順は、図１０（ａ）においてガス流れ方向として模式的に示した矢印の方向に向かって、ガス入口部からガス出口部へと順に配置された領域（４）および領域（５）の順と同じとしている。
【０１２９】
この他にも、図１１に示す補強材では、蛇行状のガス流路を有するセパレータに併せて、補強材表面に矩形状の複数の領域を設定し、各領域に領域（４）、領域（５）、および領域（６）をそれぞれ配置したものも好ましく挙げられる。図１１の補強材では、領域（４）がセパレータにおけるガス流路が直線状となっている部位に配置され、領域（５）がガス入口部およびガス出口部でガスセパレータにおけるガス流路が蛇行する隅部を含む部位に配置され、領域（６）は、ガスセパレータにおけるガス流路が蛇行する部位全体に配置されている。
【０１３０】
補強材表面に設定した複数の領域のうち、セパレータのガス供給路が直線状となっている部位には、上述した領域（１）〜（６）のうち、領域（１）および／または（４）を配置するのが好ましい。これにより、ガスの湿度に合わせて複合補強材の空隙率を設定することができる。この場合、ガスの流れ方向に合わせて、領域（１）および／または（４）における範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃをこの順で配置するのが望ましい。
【０１３１】
また、補強材表面に設定した複数の領域のうち、セパレータのガス供給路が蛇行する隅部には、領域（２）または（５）を配置するのが好ましい。これにより、ガスの湿度に合わせて複合補強材の空隙率を設定することができる。この場合、領域（２）および（５）において領域を決定するために設定する点Ｐおよび点Ｑは、それぞれガス供給路が曲る開始点および終了点となるようにするのがよい。また、範囲Ａ、範囲Ｂ、または範囲Ｃのうち、ガス供給路が蛇行する隅に範囲Ｂが配置されるようにするのがよい。さらに、領域（２）および（５）において各範囲を決定するために設定する点Ｔは、補強材表に領域の境界線上の隅部（角部）に配置されるようにするのがより好ましい。
【０１３２】
また、補強材表面に設定した複数の領域のうち、セパレータのガス供給路が蛇行する部位全体には、領域（３）または（６）を配置するのも望ましい。これにより、蛇行するガス供給路の内側と外側に合わせて空隙率を設定することができる。この場合、領域（３）および（６）において範囲を決定するために設定する点Ｐは、並走して設けられている複数のガス供給路のうち内側となるように設定し、点Ｑは前記複数のガス供給路のうち外側となるように設定するのがよい。また、直線Ｅおよび直線Ｆは、蛇行するガス供給路の開始点および終了点となるようにするのがよい。
【０１３３】
本発明の補強材では、図１０および図１１において図示した形態に限定されず、プロトン伝導性膜表面の含水状態などに合わせて、領域（１）〜（６）を適宜組み合わせて用いるのがよい。また、前記補強材は、補強材表面に複数設定した少なくとも一つの領域において、上述した領域（１）〜（６）を有していればよく、他の領域に従来公知の補強材の一部が含まれていてもよい。
【０１３４】
本発明の補強材では、プロトン伝導性膜表面のアノード側およびカソード側のそれぞれにおいて、領域（１）〜（６）における範囲Ａ、範囲Ｂ、および範囲Ｃの空隙率を所定の範囲内とするのがより望ましい。領域（１）〜（６）における範囲Ａ、範囲Ｂ、または範囲Ｃにおける空隙率としてより好ましい値を上記した表１に示す。
【０１３５】
領域（１）〜（６）における範囲Ａにおいては、ガスの流れ方向に向かって空隙率が増加するのが好ましい。領域（１）〜（３）の範囲Ｂにおいては、ガスの流れ方向に向かって空隙率が減少するのが好ましい。領域（４）〜（６）の範囲Ｂにおいては、ガスの流れ方向に向かって空隙率が増加しても減少してもよい。さらに、領域（４）〜（６）の範囲Ｃにおいては、ガスの流れ方向に向かって空隙率が減少しているのがよい。
【０１３６】
このように、領域（１）〜（６）が有する各範囲において空隙率を変えることにより、プロトン伝導性膜表面の水分管理をより最適化することができる。プロトン伝導性膜表面の水分管理の観点からは、各領域における空隙増加率または空隙減少率は、アノード側とカソード側とでそれぞれ適切に設定するのがよく、それぞれの好ましい範囲を上記した表１に示す。
【０１３７】
本発明の補強材は、厚さ方向に向かって貫通する貫通孔を有することを特徴とする。前記貫通孔の平面形状は、好ましくは、矩形とするのが望ましい。矩形として、具体的には、正方形、四辺形、長方形、他には多角形、正多角形などが挙げられる。
【０１３８】
前記矩形または多角形を有する貫通孔の大きさは、縦が、好ましくは１０ｍｍ以下とし、横が、好ましくは１０ｍｍ以下とする。これにより、プロトン伝導性膜の水分管理をより最適化することができる。
【０１３９】
貫通孔の平面形状は、三角以上の多角形であってもよい。これによっても、プロトン伝導性膜の水分管理をより最適化することができる。
【０１４０】
また、貫通孔の角部は、円弧状となっていてもよい。これにより、角部に凝縮水が停滞を防止する効果が得られ、プロトン伝導性膜の水分管理をより最適化することができる。
【０１４１】
貫通孔の平面形状が上記したものであれば、貫通孔の形状は、円柱、円錐台、多角柱、および多角錐台となる。このとき、貫通孔の壁面が所定の角度を有するのが望ましい。図１２に貫通孔１１１の壁面が所定の角度を有する補強材１１０が片面に配置されてなるプロトン伝導性膜１００の断面模式図を示す。図１２に示すように、貫通孔１１１の壁面が、前記補強材１１０のプロトン伝導性膜１００と接する面から１０〜１７０度の角度を有するのがよい。これにより、プロトン伝導性膜の水分管理をより最適化することができる。なお、前記貫通孔の壁面の角度は、前記貫通孔の壁面の内角とする。
【０１４２】
本発明の補強材が、プロトン伝導性膜のアノード側に配置される場合、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面から貫通孔の壁面の角度を、好ましくは１０〜９０度、より好ましくは４５〜９０度とするのがよい。プロトン伝導性膜のアノード側表面は水分が蒸散し易いため、貫通孔壁面の角度を上記範囲内とすることにより、プロトン伝導性膜表面からの水分の蒸散を抑制することができる。
【０１４３】
本発明の補強材が、プロトン伝導性膜のカソード側に配置される場合、前記補強材のプロトン伝導性膜と接する面から貫通孔の壁面の角度を、好ましくは９０〜１７０度、より好ましくは９０〜１３５度とするのがよい。プロトン伝導性膜のカソード側表面では、プロトン伝導性膜表面が湿潤して膨潤しやすいため、貫通孔壁面の角度を上記範囲内とすることにより、プロトン伝導性膜表面を適度な湿潤性にすることができる。
【０１４４】
前記補強材における貫通孔の壁面の角度は、角度ゲージによって測定できる。
【０１４５】
本発明の補強材が有する貫通孔には、触媒が充填されていてもよい。前記触媒として、具体的には、水素の酸化反応および／または酸素の還元反応を促進させるものが挙げられる。かような触媒が充填されることにより、電極触媒層とプロトン伝導性膜とのプロトン伝導性を確保することができる他、前記触媒は水分により膨潤し難いので補強材の貫通孔部分のプロトン伝導性膜の膨潤を抑制して、プロトン伝導性膜の水分管理をより安定して行うことができる。
【０１４６】
前記触媒として、具体的には、少なくとも白金を含むのが好ましい。また、一酸化炭素などに対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどから選択される少なくとも１種以上の金属と、白金との合金であってもよい。
【０１４７】
触媒の形状は、粒子状、楕円状、立方体状などのいずれの形状を有していていてもよいが、比表面積を大きくして高い触媒活性を得るために粒子状を有しているのが好ましい。この時、前記触媒の平均粒子径は、特に制限されないが、１〜３０ｎｍであることが好ましい。
【０１４８】
また、前記貫通孔には、上述した触媒の他に、プロトン伝導性電解質が充填されていてもよい。前記プロトン伝導性電解質としては、従来の燃料電池の電極触媒層やプロトン伝導性膜などにおいて一般的に用いられているものであれば、特に制限されない。具体的には、後述するプロトン伝導性膜を構成する材料として、具体的に列挙したものなどが好ましく挙げられる。
【０１４９】
本発明の補強材の厚さは、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１５〜５０μｍとするのがよい。前記厚さが５μｍ未満であると、プロトン伝導性膜の機械的強度を十分に向上させることができない恐れがある。
【０１５０】
前記補強材を構成する材料としては、フッ素系高分子が好ましく挙げられる。前記フッ素系高分子として具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(ＰＦＡ)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ＥＴＦＥ)、ポリクロロトリフルオロエチレン(ＰＣＴＦＥ)などが挙げられる。フッ素系高分子の他にも、非フッ素系高分子であってもよく、例えば、ポリエステル、芳香族ポリエーテルケトン、ポリスルホン、などが挙げられる。
【０１５１】
厚さ方向に貫通する貫通孔を有する補強材の製造方法としては、公知の方法を適宜参照して用いればよいが、例えば、平面台の上に、前記補強材を構成する材料からなる膜を配置し、前記膜上に所望の形状を有する刃が複数配置された型を配置した後、前記型に圧力を加えプレスする方法などが用いられる。これにより、刃のある部分のみ打ち抜かれて前記膜に厚さ方向に向かって貫通する貫通孔が形成される。
【０１５２】
得られる補強材表面を所定の領域に分割して領域ごとにことなる空隙率を付与するには、前記型上に設けられる刃の形状、個数などを調整すればよい。また、得られる補強材が有する貫通孔の壁面に角度を付与したい場合にも、前記型上に設置する刃の角度を適宜調整すればよい。本発明の補強材は、上記したような簡易な方法により製造することができる。
【０１５３】
本発明の第二は、本発明の第一の補強材を複数積層した複合補強材である。これにより、層方向の温度特性勾配や強度特性勾配などの特性が向上された複合補強材が得られ、プロトン伝導性膜表面の水分管理をより安定して行うことができる。
【０１５４】
前記複合補強材は、本発明の第一の補強材を少なくとも二つ以上積層させたものであるが、好ましくは２積層させるのがよい。
【０１５５】
前記複合補強材は、厚さ方向に向かって耐熱温度が増加するのが望ましい。これにより、発電反応熱による補強材の空隙形状および寸法を安定などの特性が向上された複合補強材が得られる。
【０１５６】
より好ましくは、前記複合補強材のプロトン伝導性膜と接する面から反対側の面に向かって耐熱温度が増加する構成を有するのがよい。これにより、電極触媒層における電気化学的反応により生じた熱によって、電極触媒層と接する付近における複合補強材の貫通孔の形状変化を抑制することができる。また、前記複合補強材のプロトン伝導性膜と接する面から反対側の面に向かって耐熱温度が増加する構成とすることにより、プロトン伝導性膜の温度変化による膜と補強材間の摩擦を軽減する効果が得られる。
【０１５７】
耐熱温度とは、温度変化に対する機械的強度を示すのである。耐熱温度が高い補強材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、芳香族ポリエーテルケトンなどが挙げられる。
【０１５８】
本発明の複合補強材は、電極触媒層と接する面から５〜１０μｍの範囲に含まれる補強材として融点が、１６０℃以上、特に１６０〜２００℃のものを用いるのが好ましい。これにより、望ましい温度特性を有する複合補強材が得られ、電極触媒層と接する付近における複合補強材の貫通孔の形状変化を抑制する効果が得られる。前記融点を有する補強材としては、フッ素系高分子として具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(ＰＦＡ)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ＥＴＦＥ)、ポリクロロトリフルオロエチレン(ＰＣＴＦＥ)、非フッ素系高分子では、ポリエステル、芳香族ポリエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンなどが挙げられる。
【０１５９】
複合補強材の厚さは、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは２０〜５０μｍとするのがよい。これにより、機械的強度に優れる複合補強材とすることができる。
【０１６０】
本発明の複合補強材の製造方法は、複数の補強材を積層させた後に、隣り合った補強材のうち融点が低い補強材の融点で加熱する方法などが用いられる。加熱することにより、各補強材同士の一部を融着させることができ、安定した構造を有する複合補強材が得られる。
【０１６１】
本発明の第三は、本発明の第一の補強材、および／または、本発明の第二の複合補強材が、少なくとも片面に配置されてなるプロトン伝導性膜である。これにより、プロトン伝導性膜表面の水分が均一に維持することができことから耐久性に優れ、かつ、高い機械的強度を有するプロトン伝導性膜が得られる。
【０１６２】
前記プロトン伝導性膜において、本発明の第一の補強材および本発明の第二の複合補強材については、上述した通りであるためここでは詳細な説明を省略する。
前記固体高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が好ましい。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂はイオン電導性がある樹脂材料であり、イオン交換膜として利用されている。また、フッ素系であり耐久性に優れている。
前記パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂として、例えば、米国のＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．からＮａｆｉｏｎＳｏｌｕｔｉｏｎとして販売されている５％のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂（イオン交換容量が約０．９ｍｅｑ／ｇ）を挙げることができる。
また本発明は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂以外のイオン交換樹脂に対しても適用できる。
例えば、スルホン化ポリアミドイミド樹脂、スルホン化ポリスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルイミド半透膜、パーフルオロスルホン酸樹脂、パーフルオロホスホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸樹脂等を用いることができ、特に限定されないがスルホン酸等イオン伝導能を有する基を含む樹脂が望ましい。
【０１６３】
プロトン伝導性膜の厚さは、得られるプロトン伝導性膜のプロトン伝導性、機械的強度などを考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは５〜３００μｍ、より好ましくは１０〜２００μｍ、特に好ましくは１５〜１５０μｍとするのがよい。製膜時の強度や耐久性の観点から５μｍ以上であることが好ましく、プロトン伝導性の観点から３００μｍ以下であることが好ましい。
【０１６４】
前記プロトン伝導性膜において、本発明の第一の補強材、および／または、本発明の第二の複合補強材の機械的強度を、前記プロトン伝導性膜よりも高くするのがよい。これにより、安定してプロトン伝導性膜表面の水分管理を行うことができる。
【０１６５】
前記補強材、前記複合補強材、および前記プロトン伝導性膜の機械的強度は、引張強度試験、クリープ強度試験により測定した値とする。
【０１６６】
本発明の第一の補強材が両面に配置されたプロトン伝導性膜において、一方の面に配置された前記補強材が有する前記貫通孔の位置と、他方の面に配置された前記補強材が有する前記貫通孔の位置とが、同じ位置となるように、対応させて配置するのが好ましい。これにより、アノード側からカソード側へ向かってプロトン伝導性膜を移動する水分移動距離を最短化することができ、プロトン伝導性膜内の水分を均一化することが可能となる。
【０１６７】
上述した本発明の第一の補強材、本発明の第二の複合補強材、および本発明の第三のプロトン伝導性膜の用途としては、説明の都合上、上記では固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明した。しかしながら、前記補強材、前記複合補強材、および前記プロトン伝導性膜は、固体高分子型燃料電池の他にも、除湿膜、加湿膜などの用途が好ましく挙げられる。なかでも、前記補強材、前記複合補強材、および前記プロトン伝導性膜は、実用性の観点から、固体高分子型燃料電池に用いるのが特に好ましい。
【０１６８】
本発明の第一の補強材、および／または、本発明の第二の複合補強材が、少なくとも片面に配置されてなるプロトン伝導性膜の製造方法としては、前記補強材、前記複合補強材をプロトン伝導性膜の少なくとも片面に配置した後、ホットプレスする方法などが用いられる。
【０１６９】
本発明の第五は、上述した本発明の第四のプロトン伝導性膜を用いた燃料電池用膜電極接合体（単に「膜電極接合体」とも記載する。）である。
【０１７０】
本発明の第四のプロトン伝導性膜は、補強材などが配置されることにより、機械的強度および耐久性に優れる。これにより、優れた耐久性を有する膜電極接合体が得られる。
【０１７１】
膜電極接合体の構成としては、特に制限されず従来公知のものと同様であるが、例えば、本発明の第四のプロトン伝導性膜の両側に、燃料極側電極触媒層と、空気極側電極触媒層とが、それぞれ対向して配置された構成などが挙げられる。
【０１７２】
また、膜電極接合体には、燃料極側電極触媒層および空気極側電極触媒層の外側に、さらに、ガス拡散層などが配置されていてもよい。
【０１７３】
本発明の膜電極接合体は、プロトン伝導性膜として、本発明の第四のプロトン伝導性膜を用いたことを特徴とするものである。従って、膜電極接合体は、本発明の第一のプロトン伝導性膜を用いる以外は、特に限定されることはなく従来公知の各種技術を適宜参照すればよく、燃料極および空気極における電極触媒層およびガス拡散層に関する詳細な説明はここでは省略する。
【０１７４】
本発明の第六は、上述した本発明の第五の膜電極接合体を用いた燃料電池である。上述した本発明の膜電極接合体によれば、優れた発電性能を長期に亘って発揮することができる燃料電池を提供することが可能となる。これにより、移動体用電源、定置用電源として信頼性の高い燃料電池が得られる。
【０１７５】
燃料電池の構造は、特に限定されず、膜電極接合体をセパレータなどで挟持した単位セルを少なくとも一つ有する構造などが挙げられる。図１３に燃料電池の断面模式図を示す。図１３に示す燃料電池は、プロトン伝導性膜１００の両側に本発明の第一の貫通孔１１１を有する補強材１１０が配置され、さらにこれをアノード側電極触媒層１２０ａおよびアノード側ガス拡散層１３０ａと、カソード側電極触媒層１２０ｃおよびカソード側ガス拡散層１３０ｃにより挟持した膜電極接合体を、ガス供給溝１４１を有するアノード側セパレータ１４０ａおよびカソード側セパレータ１４０ｃで挟持されてなる構造を有する。
【０１７６】
セパレータは、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものを特に制限なく用いることができる。また、空気と燃料ガスの流路を確保するために、従来公知の技術を適宜利用してガス流通路が形成されるのがよい。
【０１７７】
前記単位セルにおいて、範囲Ａ、範囲Ｂ、または範囲Ｃを有する補強材、範囲Ａ、範囲Ｂ、もしくは範囲Ｃを有する領域を少なくとも１つ有する補強材、または複合補強材が用いられている場合、前記範囲Ａから前記範囲Ｂへの方向、および／または、前記範囲Ｂから前記範囲Ｃへの方向を、外部から燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスなどのセパレータを流れるガスの流れ方向と同じにするのがよい。これにより、プロトン伝導性膜表面の水分管理をより最適化することができる。
【０１７８】
また、範囲Ａ、範囲Ｂ、または範囲Ｃにおいて、補強材の面方向に向かって空隙率が増加または減少していてもよい。この時、空隙率の増加方向または減少方向と前記セパレータを流れるガスの流れ方向と、を同じにするのが望ましい。これにより、プロトン伝導性膜表面の水分管理を最適化することができる。
【０１７９】
前記単位セルにおいて、本発明の第一の補強材がプロトン伝導性膜の両面に配置されてなり、アノード側に配置された前記補強材が有する最大空隙率に対して、カソード側に配置された前記補強材が有する最小空隙率が、同じまたは小さくするのが好ましい。これにより、プロトン伝導性膜のアノード側表面の乾燥を抑制するとともに、カソード側表面の膨潤を抑制することができる。前記補強材が有する最大空隙率とは、膜面上の任意の範囲における空隙の割合の最大値とする。また、前記補強材が有する最小空隙率とは、膜面上の任意の範囲における空隙の割合の最小値とする。
【０１８０】
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、単位セルを複数積層して直列に繋いだスタックなどを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。
【０１８１】
本発明の燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動／停止や出力変動が頻繁に発生することによりプロトン伝導性膜表面の含水率が変化し易い自動車用途に好適に使用できる。
【実施例】
【０１８２】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。
【０１８３】
（実施例１）
ＰＴＦＥ製シート（厚さ１０μｍ）を５０ｍｍ×５０ｍｍの大きさに切取り、平面台に設置し、平面形状が六角形を有する刃が複数設けられた型を前記ＰＴＦＥ製シート上に設置した。その後、前記型に圧力を加えて刃を貫通させることで、前記ＰＴＦＥ製シートに図１に示すように、平面形状が六角形（開口部面積４６．８ｍｍ２）であり厚さ方向に向かって貫通する貫通孔１１１を有する補強材１１０（空隙率８５％）を得た。
【０１８４】
（評価）
上記で作製した補強材の評価として、前記補強材を用いて下記手順に従って評価用単セルを作製し、これの耐久性を測定した。
【０１８５】
（１）ガス拡散層の作製
厚さ３００μｍのカーボンペーパー（東レ株式会社製  ＴＧＰ−Ｈ−０９０）を、５０ｃｍ×５０ｃｍに打ち抜きガス拡散層を得た。
【０１８６】
（２）電極触媒層の作製
白金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製  ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、白金含量４６．５ｗｔ％）と、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）／イソプロピルアルコール溶液（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ５ｗｔ％含有）とを、白金とナフィオンの質量比で２．７：１となるようにして、２５℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にてホモジナイザーを用いて３時間混合することで、触媒インクを調製した。次に、前記触媒インクを、ガス拡散層の片面上に、スクリーンプリンターを用いて塗布し、オーブン中で１００℃、３０分間乾燥させた。これにより、ガス拡散層上に厚さ２０μｍの電極触媒層（面積１ｃｍ２あたりの白金重量は０．５ｍｇ）を作製した。
【０１８７】
（３）評価用単セルの組立て
プロトン伝導性膜（Dupont社製  製品名Nafion-111）のカソード面に補強材を配置した後、さらに、片面に触媒層が形成されたガス拡散層を二枚用いて電極触媒層形成側が対向するように重ねて、３．８ＭＰａの圧力で、１３０℃、１０分間ホットプレスすることにより、膜電極接合体を作製した。さらに、前記膜電極接合体をグラファイト製セパレータで挟持し、金メッキしたステンレス製集電板で挟持し、評価用単セルとした。
【０１８８】
（４）耐久性の評価
各評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、水素は７０℃および相対湿度１００％、空気は７０℃および相対湿度１００％、セル温度は７０℃に設定し、水素利用率は６０％、空気利用率は４０％とした。この条件下で、電流密度１．０Ａ／ｃｍ２にて３分発電した後、発電を停止した。停止後、水素および空気の供給を停止し、乾燥空気を単セルに供給しセル内を１分間置換した後、２分間アノード側に水素ガスを上記利用率で供給した。その後、カソード側に空気を上記と同様の利用率で供給し、再度発電した。この発電／停止動作を繰り返す発電／停止サイクル試験を行った。補強材の空隙率とサイクル試験で膜にひび割れが発生することによる開放端電圧低下までのサイクル数の関係を図１５に示す。
【０１８９】
（実施例２）
ＰＴＦＥ製シート（（厚さ１０μｍ）を５０ｍｍ×５０ｍｍに切取り、平面台に設置し、平面形状が正三角形を有する刃が複数設けられた型を前記ＰＴＦＥ製シート上に設置した。その後、前記型に圧力を加えて刃を貫通させることで、平面形状が正三角形（開口部面積４６．８ｍｍ２）であり厚さ方向に向かって貫通する貫通孔を有する補強材（空隙率５０％）を得た。
【０１９０】
前記補強材を用いた以外は、実施例１と同様にして評価用単セルを組み立てて耐久性を評価した。結果を図１５に示す。
【０１９１】
（比較例１）
補強材を用いなかった以外は、実施例１と同様にして評価用単セルを組み立てて耐久性を評価した。結果を図１５に示す。なお、図１５では、比較例１を補強材の空隙率１００％とみなして記載する。
【０１９２】
図１５から、補強材が配置されていない比較例１では運転条件がカソード側の湿度が飽和であるため膜が膨潤しやすいが、補強材を配置してさらに補強材の空隙率を低下させることでカソード側での膜への吸水が抑制され膨潤による劣化を抑制することができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１９３】
本発明のプロトン伝導性膜用補強材によればプロトン伝導性膜の耐久性を向上させることができ、これにより長期にわたって所望する発電性能を安定して維持することができる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１９４】
【図１】本発明の好ましい一実施形態として補強材の上面模式図を示す。
【図２】本発明の好ましい一実施形態である補強材（１）の上面模式図を示す。
【図３】本発明の好ましい一実施形態である補強材（２）の上面模式図を示す。
【図４】本発明の好ましい一実施形態である補強材（３）の上面模式図を示す。
【図５】範囲Ａにおける空隙率が面方向に向かって増加する補強材（１）の上面模式図を示す。
【図６】本発明の好ましい一実施形態である補強材（４）の上面模式図を示す。
【図７】本発明の好ましい一実施形態である補強材（５）の上面模式図を示す。
【図８】本発明の好ましい一実施形態である補強材（６）の上面模式図を示す。
【図９】範囲Ａにおける空隙率が面方向に向かって増加し、範囲Ｃにおける空隙率が面方向に向かって減少する補強材（４）の上面模式図を示す。
【図１０（ａ）】領域（４）および（５）が組み合わされた補強材の上面模式図を示す。
【図１０（ｂ）】図１０（ａ）に示す補強材における領域（４）および（５）における範囲Ａ、範囲Ｂ、範囲Ｃにおける各空隙率を示す。
【図１１】領域（４）、（５）、および（６）が組み合わされた補強材の上面模式図を示す。
【図１２】プロトン伝導性膜の片面に配置された本発明の第一の補強材の断面模式図である。
【図１３】本発明の好ましい一実施形態である燃料電池の断面模式図を示す。
【図１４（ａ）】従来一般的な直線状のガス供給路を有するセパレータの上面模式図を示す。
【図１４（ｂ）】従来一般的な蛇行状のガス供給路を有するセパレータの上面模式図を示す。
【図１５】実施例で作製した評価用単セルの耐久性の評価結果を示す。
【符号の説明】
【０１９５】
１００…プロトン伝導性膜
１１０…プロトン伝導性膜用補強材、
１１１…貫通孔、
１２０ａ、１２０ｃ…電極触媒層、
１３０ａ、１３０ｃ…ガス拡散層、
１４０ａ、１４０ｃ…セパレータ、
１４１…ガス供給路、
１４２…酸化剤ガスのマニホルド穴、
１４３…燃料ガスのマニホルド穴、
１４４…冷却水のマニホルド穴。
【図１】
2006351491.tif 000004
【図２】
2006351491.tif 000005
【図３】
2006351491.tif 000006
【図４】
2006351491.tif 000007
【図５】
2006351491.tif 000008
【図６】
2006351491.tif 000009
【図７】
2006351491.tif 000010
【図８】
2006351491.tif 000011
【図９】
2006351491.tif 000012
【図１０（ａ）】
2006351491.tif 000013
【図１０（ｂ）】
2006351491.tif 000014
【図１１】
2006351491.tif 000015
【図１２】
2006351491.tif 000016
【図１３】
2006351491.tif 000017
【図１４（ａ）】
2006351491.tif 000018
【図１４（ｂ）】
2006351491.tif 000019
【図１５】
2006351491.tif 000020