(57)【要約】【課題】反応ガスの透過を抑制する電解質膜と耐久性に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１０は、電解質膜１０を構成する高分子の主鎖が電解質膜１０の主面に略平行な方向に配向する配向層１０ａを備えることにより、高分子の自由体積が低下するので、電解質膜１０を介した反応ガスの透過量が減少する。また、燃料電池に組み込む単位電池１１は、電解質膜１０を構成する高分子の主鎖が電解質膜１０の主面に略平行な方向に配向する配向層１０ａを備えた電解質膜１０を用いたことにより、電解質膜１０を介した反応ガスの透過量が減少するので、燃料電池の電池電圧が経年的に低下することはなく、耐久性が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子を含む電解質膜であって、
前記高分子の主鎖が前記電解質膜の主面に略平行な方向に配向している配向層を有する電解質膜。
【請求項２】
前記配向層において、前記高分子の主鎖が前記電解質膜の主面に略平行な複数の方向に配向している、
請求項１に記載の電解質膜。
【請求項３】
前記高分子は、水素イオン伝導性を有している、
請求項１または２に記載の電解質膜。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで両主面に配置されるアノード及びカソードと、
を有する燃料電池。
【請求項５】
前記アノードは、前記配向層と接している、
請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、電気自動車用電源及びポータブル電源等に使用される電解質膜及び燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池として、高分子から構成される電解質膜を備えた固定高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
従来、高分子から構成される電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系高分子膜からなる第１の電解質層と、スルホン酸基を有するフッ素系高分子膜に触媒として白金を担持したカーボン材を含有した第２の電解質層を接合して構成している。
【０００４】
また、この種の燃料電池は、上述した構成を有する電解質膜の両主面に触媒層とガス拡散層を配置し、その外側に反応ガスとしての燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのガス供給溝を設けたセパレータを配置した構成である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図９は、特許文献１に記載された従来の電解質膜及び燃料電池並びに燃料電池に組み込む単位電池を示す構成図である。
【０００６】
図９（ａ）に示すように、電解質膜９０は、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子膜からなる第１の電解質層９０ａと、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子膜を主成分とし、白金９０ｃを担持したカーボン材９０ｄを含有してなる第２の電解質層９０ｂを接合した構成である。
【０００７】
また、図９（ｂ）に示すように、燃料電池９１は、単位電池９２を複数枚積み重ねた積層体を、単位電池９２の積層体の両外側に配置した端板９３で挟んだ構成である。図９（ｃ）に示すように、単位電池９２は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
【０００８】
電解質膜−電極接合体は、上記構成の電解質膜９０と、電解質膜９０の両主面にそれぞれ形成されるアノード触媒層９４及びカソード触媒層９５と、アノード触媒層９４に接して配置されるアノードガス拡散層９６と、カソード触媒層９５に接して配置されるカソードガス拡散層９７を備える。アノード触媒層９４とアノードガス拡散層９６とでアノードが構成され、カソード触媒層９５とカソードガス拡散層９７とでカソードが構成される。
【０００９】
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノード触媒層９４に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝を設けたアノードセパレータ９８と、カソード触媒層９５に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝を設けたカソードセパレータ９９である。
【００１０】
上記構成を備える燃料電池９１において、アノードセパレータ９８の燃料ガス供給溝とカソードセパレータ９９の酸化剤ガス供給溝に、反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスを供給すると、単位電池９２のアノードでは、式（１）に示す電気化学反応が進行し、カソードでは、式（２）に示す電気化学反応が進行し、アノードとカソードの電極間で起電力が生じる。
【００１１】
アノード：２Ｈ２ →４Ｈ＋＋ ４ｅ−  ・・・（１）
カソード：Ｏ２ ＋４Ｈ＋＋ ４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
アノードでは、式（１）に示すように、供給した燃料ガス中の水素を水素イオンと電子に解離する。その際、水素イオンは電解質膜９０を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソードに移動する。
【００１２】
一方、カソードでは、式（２）に示すように、供給した酸化剤ガス中の酸素と、上述した水素イオン及び電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり、電力を供給することができる。
【００１３】
なお、式（１）、（２）の反応により生成した水は、燃料電池９１で消費されなかった反応ガスとともに燃料電池９１の外部に排出される。
【００１４】
ここで、電解質膜９０は、水分を含んでいる場合は良好な水素イオン伝導性を示すが、乾燥している場合は水素イオン伝導性が著しく低下する性質を有する。このため、電解質膜９０を湿潤状態に保つ必要がある。
【００１５】
電解質膜９０の水分を多くすると反応ガスが電解質膜９０を透過し易くなり、対極への反応ガスの透過量が多くなる。電解質膜９０を介した反応ガスの透過は燃料電池９１の電池電圧の低下を招くことから、電解質膜９０を介した反応ガスの透過を防止することが必要になる。
【００１６】
そのために、上述した構成を有する従来の電解質膜９０においては、第２の電解質層９０ｂに含有したカーボン材９０ｄに担持した白金９０ｃ上において、アノードから透過してきた水素と、カソードから透過してきた酸素とを反応させて水にして消費することにより、電解質膜９０を介した反応ガスの透過を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−１４９８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上記従来の構成では、反応ガスの透過を抑制するには第２の電解質層９０ｂ内の触媒量を一定濃度以上にするため、第２の電解質層９０ｂに多量の触媒を分散する必要があり、第２の電解質層９０ｂに多量の触媒を分散すると、電解質膜９０の電気絶縁性が低下して電気的に短絡し、燃料電池９１の電池電圧が低下するという課題を有していた。
【００１９】
また、電解質膜９０の内部で燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することになるので、水素の消費が増えると共に、反応熱によって電解質膜９０の劣化が促進されるという課題を有していた。
【００２０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電解質膜を介した反応ガスの透過を抑制し、燃料電池の電池電圧の低下と電解質膜の経年的な劣化を抑制し、高い電池電圧を長期に亘って維持する耐久性に優れた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】
【００２１】
上記従来の課題を解決するために、本発明の電解質膜は、高分子を含む電解質膜であって、高分子の主鎖が電解質膜の主面に略平行な方向に配向している配向層を有する電解質
膜である。
【００２２】
これによって、電解質膜の配向層において、電解質膜を構成する高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少することにより、電解質膜のガス遮断性が向上するので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を低減することができる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池は、上述した本発明に係る電解質膜を挟んで両主面に配置されるアノード及びカソードを有する燃料電池である。
【００２４】
これによって、電解質膜がガス遮断性に優れるので、燃料電池に供給する反応ガスが電解質膜を透過して直接反応することを防止することができ、燃料電池の電池電圧の低下を防止し、また電解質膜の経年的な劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の電解質膜は、ガス遮断性に優れるので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を大幅に低減することができる。また、本発明の燃料電池は、ガス遮断性に優れる電解質膜を使用しているので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を格段に低減することができ、高い電池電圧を長期に亘って維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における電解質膜の概略を示す構成図（ｂ）本発明の実施の形態１における燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図
【図２】本発明の実施の形態１における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における電解質膜の概略を示す構成図（ｂ）本発明の実施の形態２における燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図
【図４】本発明の実施の形態２における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態３における電解質膜の概略を示す構成図（ｂ）本発明の実施の形態３における燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図
【図６】本発明の実施の形態３における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態４における電解質膜の概略を示す構成図（ｂ）本発明の実施の形態４における燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図
【図８】本発明の実施の形態４における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図
【図９】（ａ）従来の電解質膜の概略を示す構成図（ｂ）従来の燃料電池の概略を示す構成図（ｃ）従来の燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
第１の発明は、高分子を含む電解質膜であって、高分子の主鎖が電解質膜の主面に略平行な方向に配向している配向層を有する電解質膜である。
【００２８】
この構成により、電解質膜の配向層において、電解質膜を構成する高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少することにより、電解質膜のガス遮断性が向上するので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を低減することができる。
【００２９】
第２の発明は、特に、第１の発明の配向層を、高分子の主鎖が電解質膜の主面に略平行な複数の方向に配向している配向層とした電解質膜である。
【００３０】
この構成により、電解質膜の配向層において、電解質膜を構成する高分子の自由体積がより減少し、電解質膜のガス遮断性が大幅に向上するので、電解質膜を介した反応ガスの透過量を格段に低減することができる。
【００３１】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の高分子を、水素イオン伝導性を有している高分子とした電解質膜である。
【００３２】
この構成により、特に、水素を燃料とした燃料電池の電解質膜に利用した場合、良好な水素イオン伝導性を示すので、燃料電池の電池電圧を高くすることができる。
【００３３】
第４の発明は、第１から第３のいずれか一つの発明に係る電解質膜と、該電解質膜を挟んで両主面に配置されるアノード及びカソードを有する燃料電池である。
【００３４】
この構成により、燃料電池に供給する反応ガスの電解質膜を介した透過量が減少し、反応ガスが直接反応することを防止することができるので、燃料電池の電池電圧の低下を防止し、また、電解質膜の経年的な劣化を防止することができる。
【００３５】
第５の発明は、特に、第４の発明のアノードを、電解質膜の配向層と接して配置した燃料電池である。
【００３６】
この構成により、分子径が小さく透過性が高い水素等の燃料ガスを用いた場合であっても、電解質膜を介した燃料ガスの透過量が減少し、反応ガスが直接反応することを防止することができるので、燃料電池の電池電圧の低下を防止し、また、電解質膜の経年的な劣化を防止することができる。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３８】
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における電解質膜の概略を示す構成図であり、図１（ｂ）は、本発明の実施の形態１における燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図である。
【００３９】
図１（ａ）において、電解質膜１０は、電解質膜１０を構成する高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向した配向層１０ａと、電解質膜１０を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した非配向層１０ｂから構成されている。
【００４０】
また、図１（ｂ）において、燃料電池に組み込む単位電池１１は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
【００４１】
電解質膜−電極接合体は、電解質膜１０と、電解質膜１０の一方の主面に形成されるアノード触媒層１２と、電解質膜１０の他方の主面に形成されるカソード触媒層１３と、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３の外側に配置されるアノードガス拡散層１４及びカソードガス拡散層１５を備える。
【００４２】
アノード触媒層１２とアノードガス拡散層１４とでアノードが構成され、カソード触媒層１３とカソードガス拡散層１５とでカソードが構成される。
【００４３】
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノードガス拡散層
１４の外側に配置されたアノードセパレータ１６と、カソードガス拡散層１５の外側に配置されたカソードセパレータ１７である。
【００４４】
以上のように構成された電解質膜１０と単位電池１１について、以下その構成材料について具体的に説明する。
【００４５】
電解質膜１０は、水素イオン伝導性を有する高分子で構成され、具体的には、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子で構成されている。
【００４６】
アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３は、白金または白金合金を担持した炭素粒子からなる触媒粉末と電解質を含んで構成されている。
【００４７】
アノードガス拡散層１４及びカソードガス拡散層１５は、ガス通気性と電子伝導性を併せ持つ、導電性カーボンペーパーから構成されている。
【００４８】
アノードセパレータ１６及びカソードセパレータ１７は、樹脂を含浸した黒鉛板から構成され、その表面には反応ガスを通流するためのガス供給溝が形成されている。
【００４９】
次に、本実施の形態に係る電解質膜１０及び燃料電池の発明のポイントである、配向層１０ａを有する電解質膜１０を作製する方法について、図２を参照しながら説明する。なお、図２において、図１と同一の構成要素には同一符号を付与する。
【００５０】
図２に示すように、配向層１０ａを有する電解質膜１０の作製は、以下の手順により行う。まず、配向層を有していない電解質膜２３を用意し、吸着機構を備えた吸着板２０に固定する（図２（ａ））。
【００５１】
次に、布２１を貼り付けたローラー２２を電解質膜２３に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜２３を固定した吸着板２０を一定の方向に所定の速度で移動させることにより、電解質膜２３の表面を擦る（図２（ｂ））。
【００５２】
この操作により、電解質膜２３の一方の主面に電解質膜２３を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層１０ａを形成する（以下、電解質膜を構成する高分子の主鎖が配向している方向を示す軸を配向軸という）。
【００５３】
ここで、押込み量とは、電解質膜２３の表面に対してローラー２２の位置を変動させた場合において、ローラー２２に貼り付けた布２１の毛先が最初に電解質膜２３の表面に接した位置を原点とし、当該原点から電解質膜２３に向けてローラー２２を押込んだ変動量をいう。
【００５４】
以上の一連の操作により、配向層を有していない電解質膜２３の一方の主面に電解質膜２３を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層１０ａを形成することで、一方の主面において、主面に略平行な配向軸が一本形成された配向層１０ａを有する電解質膜１０が得られる。
【００５５】
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜１０が、電解質膜１０を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層１０ａを有することにより、配向層１０ａにおいて、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、電解質膜１０を介した反応ガスの透過量を低減することができる。
【００５６】
また、本実施の形態においては、配向層１０ａを有し反応ガスの遮断性に優れた電解質膜１０を使用することにより、反応ガスの透過量を低減した燃料電池を提供することができる。
【００５７】
このような燃料電池は、電解質膜１０を介した反応ガスの透過量が減少し、また、電解質膜１０の内部での反応ガスの反応が抑制されて電解質膜１０の経年的な劣化を抑制することができるため、燃料電池の電池電圧の低下を抑制することができる。
【００５８】
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。なお、電解質膜の諸物性の評価方法及び燃料電池に組み込む単位電池の電池性能の評価方法を以下に示す。
【００５９】
（１）複屈折及び面配向係数
位相差フィルム光学材料検査装置（大塚電子（株）製：型式ＲＥＴＳ−１００）を用いて、電解質膜の配向軸の方向の屈折率ｎｘ、それに対し面内垂直方向の屈折率ｎｙ、及び厚み方向の屈折率ｎｚを測定し、得られた値から、
Δｎ＝ｎｘ−ｎｙ
ΔＰ＝（ｎｘ＋ｎｙ）／２−ｎｚ
の計算式により、電解質膜の複屈折Δｎと面配向係数ΔＰを算出した。
【００６０】
（２）水素透過量
電解質膜の両主面にガスをそれぞれ供給及び排出できる治具に電解質膜を固定し、電解質膜の一方の主面には水素を、他方の主面には窒素をそれぞれ供給し、排出される窒素の中に含まれる水素の量を気体分析装置（（株）島津製作所：型式ＧＣ−８Ａ）を用いて定量することにより、水素の供給側から窒素の供給側に透過する水素の量（以下、水素透過量Ｖｈという）を評価した。
【００６１】
なお、このときの水素と窒素はいずれも室温で乾燥状態のガスとし、流量は共に０．３Ｌ／ｍｉｎとした。
【００６２】
（３）電池性能
単位電池のアノードセパレータのガス供給溝に二酸化炭素２５％及び一酸化炭素５０ｐｐｍを含む水素を流し、カソードセパレータのガス供給溝には空気を流し、電池温度を８０℃、燃料利用率を８０％、空気利用率を４０％、水素の露点を７５℃、空気の露点を６０℃に設定し、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２において連続して発電させたときの初期の電池電圧と、２０００時間経過後の電池電圧を測定した。
【００６３】
（実施例１）
（１）電解質膜の作製
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン１１２（デュポン（株）製）を用意し、吸着板に吸着して固定した。
【００６４】
続いて、表面に布（（株）長沼ゲージ製作所製、品種：ＣＦＴ０５５）を貼り付けたローラーを、ナフィオン１１２の一方の主面に押込み量１ｍｍで押し込んだ状態で、回転数１０ｓ−１で回転させ、吸着板を５ｍｍ／ｓの速度で一方向に移動させて、ナフィオン１１２の一方の主面を一方向に擦って、ナフィオン１１２の一方の主面に配向軸が一本の配向層を有するナフィオン１１２（以下、電解質膜Ａという）を作製した。
【００６５】
こうして作製した電解質膜Ａの複屈折Δｎと面配向係数ΔＰ及び水素透過量Ｖｈを上述
した評価方法により評価したところ、電解質膜Ａの複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰ、水素透過量Ｖｈは、（表１）に示す通りであり、電解質膜Ａは、複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰは大きな値を示し、高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向したものであり、また、電解質膜Ａは、水素の透過量が少なく、良好な水素遮断性を示した。
【００６６】
（２）単位電池の作製
以下の手順により、電解質膜Ａを用いた単位電池を作製した。
【００６７】
ａ．アノード触媒の作製
触媒粉末として、白金とルテニウムを担持した炭素粉末（田中貴金属（株）製、品番：ＴＥＣ６６Ｅ５０）１５重量部、電解質としてナフィオン１０％分散液（シグマアルドリッチ社製、製品番号：５２７１１４）５０重量部、分散媒として純水２０重量部とエタノール６５重量部を容器に採取し、分散機（（株）セイワ技研製、製品名：ＲＳ−０５Ｗ）と超音波ホモジナイザー（（株）日本精機製作所、製品名：ＵＳ−１５０Ｅ）を用いて、室温で２時間混練し、触媒組成物（以下、触媒組成物ａという）を作製した。
【００６８】
ｂ．カソード触媒の作製
触媒粉末として、白金を担持した炭素粉末（田中貴金属（株）製、品番：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１５重量部、電解質としてナフィオン１０％分散液（シグマアルドリッチ社製、製品番号：５２７１１４）５０重量部、分散媒として純水２０重量部とエタノール６５重量部を容器に採取し、分散機（（株）セイワ技研製、製品名：ＲＳ−０５Ｗ）と超音波ホモジナイザー（（株）日本精機製作所、製品名：ＵＳ−１５０Ｅ）を用いて、室温で２時間混練し、触媒組成物（以下、触媒組成物ｂという）を作製した。
【００６９】
ｃ．電解質膜−電極接合体の作製
電解質膜Ａの一方の主面には触媒組成物ａを、他方の主面には触媒組成物ｂを、スクリーン印刷機（ニューロング精密工業（株）製、製品名：ＤＰ−３２０）を用いて、スクリーン印刷法により塗布した。
【００７０】
続いて、上述した触媒組成物ａ、ｂが塗布された電解質膜Ａを８０℃の恒温器（ヤマト科学（株）製、型番：ＤＫＭ３００）に１時間放置することで、触媒組成物ａ、ｂから分散媒を加熱乾燥により除去した後、室温に２時間放置して、電解質膜Ａの両主面にアノード触媒層及びカソード触媒層を形成し電解質膜−触媒層接合体を作製した。
【００７１】
ｄ．単位電池の作製
まず、カーボンペーパー（東レ（株）製、製品名：ＴＧＰ−Ｈ−１２０）にアセチレンブラックとポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン（ダイキン工業（株）製、製品名：Ｄ−１）及び純水の混合物を塗布して、３５０℃で２時間加熱してガス拡散層を作製した。
【００７２】
続いて、上述した手順により作製した電解質膜−触媒層接合体の両主面に上述したガス拡散層を配置して電解質膜−電極接合体とした後、電解質膜−電極接合体とガス拡散層の外周部にシリコーン樹脂からなるガスケット（クレハエラストマー（株）製、品番：ＳＢ５０ＮＪＰ）を接合し、さらに、表面にガス供給溝を形成した樹脂含浸黒鉛板から構成したセパレータを両ガス拡散層の外側に配置して、単位電池（以下、単位電池Ａという）を作製した。
【００７３】
こうして作製した単位電池Ａの電池性能を上述した評価方法により評価したところ、単位電池Ａの電池電圧は（表１）に示す通りであり、単位電池Ａは、初期において高い電池電圧を示し、２０００時間経過後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示し
た。
【００７４】
（実施の形態２）
図３（ａ）は、本発明の実施の形態２における電解質膜の概略を示す構成図であり、図３（ｂ）は、本発明の実施の形態２おける燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図である。また、図４は、本発明の実施の形態２における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図である。
【００７５】
図３（ａ）において、本実施の形態の電解質膜３０は、配向層３０ａを電解質膜３０の両主面に有する点で、実施の形態１の電解質膜１０とは異なる。また、図３（ｂ）において、本実施の形態の燃料電池に組み込む単位電池３１は、両主面に配向層３０ａを有する電解質膜３０を用いた点で、実施の形態１の単位電池１１とは異なる。
【００７６】
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池に組み込む単位電池の構成について、図３を参照しながら説明する。なお、図３において、図１と同一の構成要素は同一符号を付与し、重複する説明は省略する。
【００７７】
図３（ａ）において、電解質膜３０は、電解質膜３０を構成する高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向した配向層３０ａと、電解質膜３０を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した非配向層３０ｂとから構成されている。
【００７８】
ここで、電解質膜３０は、水素イオン伝導性を有する高分子で構成され、具体的には、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子で構成されている。
【００７９】
また、図３（ｂ）において、燃料電池に組み込む単位電池３１は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
【００８０】
電解質膜−電極接合体は、電解質膜３０と、電解質膜３０の一方の主面に形成されるアノード触媒層１２と、電解質膜３０の他方の主面に形成されるカソード触媒層１３と、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３の外側に配置されるアノードガス拡散層１４及びカソードガス拡散層１５を備える。
【００８１】
アノード触媒層１２とアノードガス拡散層１４とでアノードが構成され、カソード触媒層１３とカソードガス拡散層１５とでカソードが構成される。
【００８２】
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノードガス拡散層１４の外側に配置されたアノードセパレータ１６と、カソードガス拡散層１５の外側に配置されたカソードセパレータ１７である。
【００８３】
次に、本実施の形態に係る電解質膜３０及び燃料電池の発明のポイントである、配向層３０ａを有する電解質膜３０を作製する方法について、図４を参照しながら説明する。なお、図４において、図２、図３と同一の構成要素は同一符号を付与する。
【００８４】
図４に示すように、配向層３０ａを有する電解質膜３０の作製は、以下の手順により行う。まず、配向層を有していない電解質膜２３を用意し、吸着機構を備えた吸着板２０に固定する（図４（ａ））。
【００８５】
次に、布２１を貼り付けたローラー２２を電解質膜２３の一方の主面に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜２３を固定した吸着板
２０を一定の方向に所定の速度で移動させることで、電解質膜２３の一方の表面を擦る（図４（ｂ））。
【００８６】
この操作により、電解質膜２３の一方の主面に電解質膜を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層３０ａを形成する（図４（ｃ））。
【００８７】
続いて、電解質膜２３を裏返し、電解質膜２３の他方の主面を上向きにして吸着板２０に固定した後、布２１を取り付けたローラー２２を電解質膜２３の他方の主面に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜２３を固定した吸着板２０を一定の方向に所定の速度で移動させることで、電解質膜２３の他方の主面を擦る（図４（ｄ））。
【００８８】
この操作により、電解質膜２３の他方の主面にも電解質膜を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層３０ａを形成する（図４（ｅ））。
【００８９】
ここで、押込み量とは、電解質膜２３の表面に対してローラー２２の位置を変動させた場合において、ローラー２２に貼り付けた布２１の毛先が最初に電解質膜２３の表面に接した位置を原点とし、当該原点から電解質膜２３に向けてローラー２２を押込んだ変動量をいう。
【００９０】
以上の一連の操作により、電解質膜２３の両主面に電解質膜２３を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層３０ａを形成することで、両主面において、主面に略平行な配向軸が一本形成された配向層３０ａを有する電解質膜３０が得られる。
【００９１】
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜３０が電解質膜３０を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層３０ａを両主面に有することにより、配向層３０ａにおいて、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、電解質膜３０を介した反応ガスの透過量を低減することができる。
【００９２】
また、本実施の形態においては、配向層３０ａを有し反応ガスの遮断性に優れた電解質膜３０を使用することにより、反応ガスの透過量を低減した燃料電池を提供することができる。
【００９３】
このような燃料電池は、電解質膜３０を介した反応ガスの透過量が減少し、また、電解質膜３０の内部での反応ガスの反応が抑制されて電解質膜３０の経年的な劣化を抑制することができるため、燃料電池の電池電圧の低下を抑制することができる。
【００９４】
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。
【００９５】
（実施例２）
（１）電解質膜の作製
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン１１２（デュポン（株）製）を用意し、吸着板に吸着して固定した。
【００９６】
続いて、表面に布（（株）長沼ゲージ製作所製、品種：ＣＦＴ０５５）を貼り付けたローラーを、ナフィオン１１２の一方の主面に押込み量１ｍｍで押し込んだ状態で、回転数１０ｓ−１で回転させ、吸着板を５ｍｍ／ｓの速度で一方向に移動させて、ナフィオン１
１２の一方の主面を一方向に擦って、ナフィオン１１２一方の主面に配向軸が一本の配向層を形成した。
【００９７】
次に、ナフィオン１１２を裏返し、ナフィオン１１２の他方の主面が上向きになるように吸着板に固定した後、上述したローラーと同一のローラーを用いて、ローラーの押し込み量と回転数及び吸着板の移動速度は上述した各条件と同一の条件でナフィオン１１２の他方の主面を一方向に擦って、両主面に配向軸が一本の配向層を有するナフィオン１１２（以下、電解質膜Ｂという）を作製した。
【００９８】
こうして作製した電解質膜Ｂの複屈折Δｎと面配向係数ΔＰ及び水素透過量Ｖｈを上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、電解質膜Ｂの複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰ、水素透過量Ｖｈは（表１）に示す通りであり、電解質膜Ｂは、複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰは大きな値を示し、高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向したものであり、また、電解質膜Ｂは、水素の透過量が少なく、良好な水素遮断性を示した。
【００９９】
（２）単位電池の作製
電解質膜Ｂを用いて、上述した実施例１（２）に記載した手順と同一の手順により単位電池（以下、単位電池Ｂという）を作製した。
【０１００】
こうして作製した単位電池Ｂの電池性能を上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、単位電池Ｂの電池電圧は（表１）に示す通りであり、単位電池Ｂは初期において高い電池電圧を示し、２０００時間経過後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示した。
【０１０１】
（実施の形態３）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態３における電解質膜の概略を示す構成図であり、図５（ｂ）は、本発明の実施の形態３おける燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図である。また、図６は、本発明の実施の形態３における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図である。
【０１０２】
図５（ａ）において、本実施の形態の電解質膜５０は、配向層５０ａにおける配向軸が２本である点で、実施の形態２の電解質膜３０とは異なる。また、図５（ｂ）において、本実施の形態の燃料電池に組み込む単位電池５１は、両主面に配向軸が２本の配向層５０ａを有する電解質膜５０を用いた点で、実施の形態２の単位電池３０とは異なる。
【０１０３】
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池に組み込む単位電池の構成について、図５を参照しながら説明する。なお、図５において、図１と同一の構成要素は同一符号を付与して、重複する説明は省略する。
【０１０４】
図５（ａ）において、電解質膜５０は、電解質膜５０を構成する高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向した配向層５０ａと、電解質膜５０を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した非配向層５０ｂから構成されている。
【０１０５】
ここで、電解質膜５０は、水素イオン伝導性を有する高分子で構成され、具体的には、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子で構成されている。
【０１０６】
また、図５（ｂ）において、燃料電池に組み込む単位電池５１は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
【０１０７】
電解質膜−電極接合体は、電解質膜５０と、電解質膜５０の一方の主面に形成されるアノード触媒層１２と、電解質膜１０の他方の主面に形成されるカソード触媒層１３と、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３の外側に配置されるアノードガス拡散層１４及びカソードガス拡散層１５を備える。
【０１０８】
アノード触媒層１２とアノードガス拡散層１４とでアノードが構成され、カソード触媒層１３とカソードガス拡散層１５とでカソードが構成される。
【０１０９】
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノードガス拡散層１４の外側に配置されたアノードセパレータ１６と、カソードガス拡散層１５の外側に配置されたカソードセパレータ１７である。
【０１１０】
次に、本実施の形態に係る電解質膜５０及び燃料電池の発明のポイントである、配向層５０ａを有する電解質膜５０を作製する方法について、図６を参照しながら説明する。なお、図６において、図２、図５と同一の構成要素は同一符号を付与する。
【０１１１】
図６に示すように、配向層５０ａを有する電解質膜５０の作製は、以下の手順により行う。まず、配向層を有していない電解質膜２３を用意し、吸着機構を備えた吸着板２０に固定する（図６（ａ））。
【０１１２】
次に、布２１を貼り付けたローラー２２を電解質膜２３の一方の主面に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜２３を固定した吸着板２０を一定の方向に所定の速度で移動させることで、電解質膜２３の一方の表面を擦る（図６（ｂ））。
【０１１３】
この操作により、電解質膜２３の一方の主面に電解質膜２３を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している第１の配向軸を形成する（図６（ｃ））。
【０１１４】
次に、第１の配向軸が形成された主面を上向きにし、かつ、吸着板２０の移動方向が第１の配向軸の方向とは略垂直な方向になるように、吸着板２０に電解質膜２３を固定し、布２１を取り付けたローラー２２を電解質膜２３の一方の主面に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜２３を固定した吸着板２０を一定の方向に所定の速度で移動させることで、電解質膜２３の一方の主面を第１の配向軸の方向とは略垂直な方向に擦る（図６（ｄ））。
【０１１５】
この操作により、電解質膜２３の一方の主面に第２の配向軸を形成し、電解質膜２３の一方の主面に配向軸が二本の配向層５０ａを形成する（図６（ｅ））。
【０１１６】
続いて、電解質膜２３を裏返し、電解質膜２３の他方の主面にも図６（ａ）〜（ｅ）と同じ操作を繰り返して、電解質膜２３の他方の主面に第３の配向軸と第４の配向軸を形成し、電解質膜２３の他方の主面にも配向軸が二本の配向層５０ａを形成する。
【０１１７】
ここで、押込み量とは、電解質膜２３の表面に対してローラー２２の位置を変動させた場合において、ローラー２２に貼り付けた布２１の毛先が最初に電解質膜２３の表面に接した位置を原点とし、当該原点から電解質膜２３に向けてローラー２２を押込んだ変動量をいう。
【０１１８】
以上の一連の操作により、電解質膜２３の両主面に電解質膜２３を構成する高分子の主鎖が二方向に配向している配向層５０ａを形成することで、両主面において、主面に略平行な配向軸が二本形成された配向層５０ａを有する電解質膜５０が得られる。
【０１１９】
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜５０が電解質膜５０を構成する高分子の主鎖が主面に略平行な２方向に配向している配向層５０ａを両主面に有することにより、配向層５０ａにおいて、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、電解質膜５０を介した反応ガスの透過量を低減することができる。
【０１２０】
また、本実施の形態においては、配向層５０ａを両主面に有し反応ガスの遮断性に優れた電解質膜５０を使用することにより、反応ガスの透過量を低減した燃料電池を提供することができる。
【０１２１】
このような燃料電池は、電解質膜５０を介した反応ガスの透過量が減少し、また、電解質膜５０の内部での反応ガスの反応が抑制されて電解質膜５０の経年的な劣化を抑制することができるため、燃料電池の電池電圧の低下を抑制することができる。
【０１２２】
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。
【０１２３】
（実施例３）
（１）電解質膜の作製
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン１１２（デュポン（株）製）を用意し、吸着板に吸着して固定した。
【０１２４】
続いて、表面に布（（株）長沼ゲージ製作所製、品種：ＣＦＴ０５５）を貼り付けたローラーを、ナフィオン１１２の一方の主面に押込み量１ｍｍで押し込んだ状態で、回転数１０ｓ−１で回転させ、吸着板を５ｍｍ／ｓの速度で一方向に移動させて、ナフィオン１１２の一方の主面を一方向に擦って、ナフィオン１１２の一方の主面に第１の配向軸を形成した。
【０１２５】
次に、上述したローラーと同一のローラーを用いて、ナフィオン１１２の第１の配向軸を形成した主面と同一の主面を第１の配向軸とは略垂直な方向に擦って、ナフィオン１１２の一方の主面に第２の配向軸を形成し、ナフィオン１１２の一方の主面に配向軸が２本の配向層を形成した。
【０１２６】
続いて、ナフィオン１１２を裏返し、ナフィオン１１２の他方の主面が上向きになるように吸着板に固定した後、上述したローラーと同一のローラーを用いて、ナフィオン１１２の他方の主面を一方向に擦って、ナフィオン１１２の他方の主面に第３の配向軸を形成した後、第３の配向軸を形成した主面と同一の主面を第３の配向軸とは略垂直な方向に擦って、ナフィオン１１２の他方の主面に第４の配向軸を形成し、両主面に配向軸が２本の配向層を形成したナフィオン１１２（以下、電解質膜Ｃという）を作製した。
【０１２７】
なお、第２の配向軸、第３の配向軸及び第４の配向軸を形成するときのローラーの押し込み量と回転数、吸着板の移動速度は、第１の配向軸を形成したときの各条件と同一の条件とした。
【０１２８】
こうして作製した電解質膜Ｃの複屈折Δｎと面配向係数ΔＰ及び水素透過量Ｖｈを上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、電解質膜Ｃの複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰ、水素透過量Ｖｈは（表１）に示す通りであり、電解質膜Ｃは、複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰは大きな値を示し、高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向したものであり、また、電解質膜Ｃは、水素の透過量が少なく、良好な水素遮断性を示した。
【０１２９】
（２）単位電池の作製
電解質膜Ｃを用いて、上述した実施例１（２）に記載した手順と同一の手順により単位電池（以下、単位電池Ｃという）を作製した。
【０１３０】
こうして作製した単位電池Ｃの電池性能を上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、単位電池Ｃの電池電圧は（表１）に示す通りであり、単位電池Ｃは初期において高い電池電圧を示し、２０００時間経過後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示した。
【０１３１】
（比較例１）
配向層を有していない電解質膜としてナフィオン１１２（デュポン（株）製）（以下、電解質膜Ｄという）を用意し、上述した評価方法と同一の評価方法により、電解質膜Ｄの複屈折Δｎと面配向係数ΔＰ及び水素透過量Ｖｈを評価した。
【０１３２】
電解質膜Ｄの複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰ、水素透過量Ｖｈは（表１）に示す通りであり、電解質膜Ｄは、複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰは小さな値を示し、高分子の主鎖はランダムに配列したものであり、また、電解質膜Ｄは、実施例１〜３の電解質膜（電解質膜Ａ〜Ｃ）に比べると、水素の透過量が多く、水素遮断性に劣るものであった。
【０１３３】
次に、電解質膜Ｄを用いて、上述した実施例１（２）に記載した方法と同一の方法により単位電池（以下、単位電池Ｄという）を作製し、上述した評価方法と同一の評価方法により、単位電池Ｄの電池性能を評価した。
【０１３４】
単位電池Ｄの電池電圧は（表１）に示す通りであり、単位電池Ｄは、初期の電池電圧は実施例１〜３の単位電池（単位電池Ａ〜Ｃ）と同じであったが、２０００時間経過後において、電池電圧は大きく低下して、実施例１〜３の単位電池（単位電池Ａ〜Ｃ）と比べると、耐久性に劣るものであった。
【０１３５】
以上の結果を（表１）にまとめた。
【０１３６】
【表１】
2018006229.tif 000003
電解質膜の水素透過性に関し、本実施例に係る電解質膜（電解質膜Ａ〜Ｃ）は、いずれも水素の透過量が少ないものであった。これは、電解質膜が配向層を有することで、配向層において、電解質膜を構成する高分子の主鎖が一定の方向に配向することにより、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、水素に対する遮断性が向上したためと考えられる。
【０１３７】
一方、比較例に係る電解質膜（電解質膜Ｄ）は、本実施例に係る電解質膜（電解質膜Ａ〜Ｃ）に比べ、水素の透過量が多いものであった。これは、電解質膜が配向層を有してい
ないために、電解質膜を構成する高分子の主鎖がランダムに配列し、高分子の自由体積が大きくなり、水素に対する遮断性が低下したためと考えられる。
【０１３８】
また、単位電池の電池性能に関し、本実施例に係る単位電池（単位電池Ａ〜Ｃ）は、いずれも２０００時間経過後においても電池電圧の低下はなかった。これは、電解質膜が配向層を有することで、反応ガスの透過量が減少するため、電解質膜の内部での反応ガスの反応が抑制され、電解質膜の経年的な劣化を防止することができたためと考えられる。
【０１３９】
一方、比較例に係る単位電池（単位電池Ｄ）は、２０００時間経過後において電池電圧は大きく低下し、本実施例に係る単位電池（単位電池Ａ〜Ｃ）に比べると、耐久性に劣るものであった。これは、電解質膜が配向層を有していないために、反応ガスの透過量が多くなり、電解質膜の内部で反応ガスが反応して、電解質膜が経年的に劣化したためと考えられる。
【０１４０】
以上の電解質膜の水素透過量評価試験から、本実施の形態で作製された電解質膜Ａ〜Ｃは反応ガスの透過量が低減することが確認できた。また、単位電池の電池性能評価試験から、本実施の形態で作製された単位電池Ａ〜Ｃは電池電圧の低下がなく、優れた耐久性を示すことが確認できた。
【０１４１】
（実施の形態４）
図７（ａ）は、本発明の実施の形態４における電解質膜の概略を示す構成図であり、図７（ｂ）は、本発明の実施の形態４おける燃料電池に組み込む単位電池の概略を示す構成図である。また、図８は、本発明の実施の形態４における配向層を有する電解質膜の作製方法を示す模式図である。
【０１４２】
図７（ａ）において、本実施の形態の電解質膜７０は、配向層７１ａを電解質膜７０の内部（中間層）に有する点で、実施の形態１の電解質膜１０とは異なる。また、図７（ｂ）において、本実施の形態の燃料電池に組み込む単位電池７３は、配向層７１ａを内部（中間層）に有する電解質膜７０を用いた点で、実施の形態１の単位電池１０とは異なる。
【０１４３】
以下、本実施の形態に係る電解質膜７０及び燃料電池に組み込む単位電池の構成について、図７を参照しながら説明する。なお、図７において、図１と同一の構成要素は同一符号を付与して、重複する説明は省略する。
【０１４４】
図７（ａ）において、電解質膜７０は、電解質膜７０を構成する高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向した配向層７１ａと、電解質膜７０を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した非配向層７１ｂを有する第１の電解質膜７１と、電解質膜７０を構成する高分子の主鎖がランダムに配列した第２の電解質膜７２から構成されている。
【０１４５】
ここで、第１の電解質膜７１と第２の電解質膜７２は、水素イオン伝導性を有する高分子で構成され、具体的には、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子で構成されている。
【０１４６】
また、図７（ｂ）において、燃料電池に組み込む単位電池７３は、電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータを備える。
【０１４７】
電解質膜−電極接合体は、電解質膜７０と、電解質膜７０の一方の主面に形成されるアノード触媒層１２と、電解質膜７０の他方の主面に形成されるカソード触媒層１３と、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３の外側に配置されるアノードガス拡散層１４及びカソードガス拡散層１５を備える。
【０１４８】
アノード触媒層１２とアノードガス拡散層１４とでアノードが構成され、カソード触媒層１３とカソードガス拡散層１５とでカソードが構成される。
【０１４９】
電解質膜−電極接合体の両外側に配置される一対のセパレータは、アノードガス拡散層１４の外側に配置されたアノードセパレータ１６と、カソードガス拡散層１５の外側に配置されたカソードセパレータ１７である。
【０１５０】
次に、本実施の形態に係る電解質膜７０及び燃料電池の発明のポイントである、配向層７１ａを有する電解質膜７０を作製する方法について、図８を参照しながら説明する。なお、図８において、図２、図７と同一の構成要素は同一符号を付与する。
【０１５１】
図８に示すように、配向層７１ａを有する電解質膜７０の作製は、以下の手順により行う。まず、配向層を有していない電解質膜２３を用意し、吸着機構を備えた吸着板２０に固定する（図８（ａ））。
【０１５２】
次に、布２１を貼り付けたローラー２２を電解質膜２３に所定の押し込み量で押し込んだ状態で、所定の回転数で回転させ、同時に電解質膜２３を固定した吸着板２０を一定の方向に所定の速度で移動させることにより、電解質膜２３の表面を擦る（図８（ｂ））。
【０１５３】
この操作により、一方の主面に電解質膜を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層７１ａを有する第１の電解質膜７１を作製する（図８（ｃ））。
【０１５４】
ここで、押込み量とは、電解質膜２３の表面に対してローラー２２の位置を変動させた場合において、ローラー２２に貼り付けた布２１の毛先が最初に電解質膜２３の表面に接した位置を原点とし、当該原点から電解質膜２３に向けてローラー２２を押込んだ変動量をいう。
【０１５５】
次に、配向層を有していない第２の電解質膜７２を用意し、第１の電解質膜７１の配向層７１ａを形成した主面と接するように、第１の電解質膜７１と第２の電解質膜７２を重ね合わせる（図８（ｄ））。続いて、第１の電解質膜７１と第２の電解質膜７２をホットプレスにより接合する（図８（ｅ））。
【０１５６】
以上の一連の操作により電解質膜７０の内部（中間層）に電解質膜７０を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層７１ａを形成することで、内部において、主面に略平行な配向軸が一本形成された配向層７１ａを有する電解質膜７０が得られる。
【０１５７】
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜７０が電解質膜７０を構成する高分子の主鎖が一方向（主面に平行な方向）に配向している配向層７１ａを内部（中間層）に有することにより、配向層７１ａにおいて、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、電解質膜７０を介した反応ガスの透過量を大幅に低減することができる。
【０１５８】
また、本実施の形態においては、内部（中間層）に配向層７１ａを有し反応ガスの遮断性に優れた電解質膜７０を使用することにより、反応ガスの透過量を低減した燃料電池を提供することができる。
【０１５９】
このような燃料電池は、電解質膜７０を介した反応ガスの透過量が減少し、また、電解
質膜７０の内部での反応ガスの反応が抑制されて電解質膜７０の経年的な劣化を抑制することができるため、燃料電池の電池電圧の低下を抑制することができる。
【０１６０】
以下、本実施の形態に係る電解質膜及び燃料電池について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。
【０１６１】
（実施例４）
（１）電解質膜の作製
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン１１２（デュポン（株）製）を用意し、吸着板に吸着して固定した。
【０１６２】
続いて、表面に布（（株）長沼ゲージ製作所製、品種：ＣＦＴ０５５）を貼り付けたローラーを、ナフィオン１１２の一方の主面に押込み量１ｍｍで押し込んだ状態で、回転数１０ｓ−１で回転させ、吸着板を５ｍｍ／ｓの速度で一方向に移動させて、ナフィオン１１２の一方の主面を一方向に擦って、ナフィオン１１２の一方の主面に配向軸が一本の配向層を形成した。
【０１６３】
次に、配向層を有していない別のナフィオン１１２（デュポン（株）製）を用意し、上述した手順により配向層を形成したナフィオン１１２に、配向層が接するように重ね合わせた後、ホットプレスにより１００℃、１ＭＰａの条件下で２分間熱圧着して両方のナフィオン１１２を接合し、内部に配向層を有する電解質膜（以下、電解質膜Ｅという）を作製した。
【０１６４】
こうして作製した電解質膜Ｅの複屈折Δｎと面配向係数ΔＰ及び水素透過量Ｖｈを上述した評価方法により評価したところ、電解質膜Ｅの複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰ、水素透過量Ｖｈは、（表２）に示す通りであり、電解質膜Ｅは、複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰは大きな値を示し、高分子の主鎖が一定の方向に規則的に配向したものであり、また、電解質膜Ｅは、水素の透過量が少なく、良好な水素遮断性を示した。
【０１６５】
（２）単位電池の作製
電解質膜Ｅを用いて、上述した実施例１（２）に記載した手順と同一の手順により単位電池（以下、単位電池Ｅという）を作製した。
【０１６６】
こうして作製した単位電池Ｅの電池性能を上述した評価方法と同一の評価方法により評価したところ、単位電池Ｅの電池電圧は（表２）に示す通りであり、単位電池Ｅは初期において高い電池電圧を示し、２０００時間経過後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示した。
【０１６７】
（比較例２）
配向層を有していない電解質膜として、ナフィオン１１２（デュポン（株）製）を２枚用意して重ね合わせた後、ホットプレスにより１００℃、１ＭＰａの条件下で２分間熱圧着して、２枚のナフィオン１１２を接合した電解質膜（以下、電解質膜Ｆという）を作製し、上述した評価方法と同一の評価方法により、電解質膜Ｆの複屈折Δｎと面配向係数ΔＰ及び水素透過量Ｖｈを評価した。
【０１６８】
電解質膜Ｆの複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰ、水素透過量Ｖｈは下記表２に示す通りであり、電解質膜Ｆは、複屈折Δｎ、面配向係数ΔＰは小さな値を示し、高分子の主鎖はランダムに配列したものであり、また、電解質膜Ｆは実施例４の電解質膜（電解質膜Ｅ）に比べると、水素の透過量が多く、水素遮断性に劣るものであった。
【０１６９】
次に、電解質膜Ｆを用いて、上述した実施例１（２）に記載した手順と同一の手順により単位電池（以下、単位電池Ｆという）を作製し、上述した評価方法と同一の評価方法により、単位電池Ｆの電池性能を評価した。
【０１７０】
単位電池Ｆの電池電圧は（表２）に示す通りであり、単位電池Ｆは、初期の電池電圧は実施例４の単位電池（単位電池Ｅ）と同じであったが、２０００時間経過後において、電池電圧は大きくて低下し、実施例４の単位電池（単位電池Ｅ）に比べると、耐久性に劣るものであった。
【０１７１】
以上の結果を（表２）にまとめた。
【０１７２】
【表２】
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電解質膜の水素透過性に関し、本実施例に係る電解質膜（電解質膜Ｅ）は、水素の透過量が少ないものであった。これは、電解質膜が配向層を有することで、配向層において、電解質膜を構成する高分子の主鎖が一定の方向に配向することにより、高分子の分子鎖間の相互作用が大きくなって自由体積が減少し、水素に対する遮断性が向上したためと考えられる。
【０１７３】
一方、比較例に係る電解質膜（電解質膜Ｆ）は、本実施例に係る電解質膜（電解質膜Ｅ）に比べ、水素の透過量が多いものであった。これは、電解質膜が配向層を有していないために、電解質膜を構成する高分子の主鎖がランダムに配列し、高分子の自由体積が大きくなり、水素に対する遮断性が低下したためと考えられる。
【０１７４】
また、単位電池の電池性能に関し、本実施例に係る単位電池（単位電池Ｅ）は、いずれも２０００時間経過後においても電池電圧の低下はなかった。これは、電解質膜が配向層を有することで、反応ガスの透過量が減少するため、電解質膜の内部での反応ガスの反応が抑制され、電解質膜の経年的な劣化を防止することができたためと考えられる。
【０１７５】
一方、比較例に係る単位電池（単位電池Ｆ）は、２０００時間経過後において電池電圧は大きく低下し、本実施例に係る単位電池（単位電池Ｅ）に比べると、耐久性に劣るものであった。これは、電解質膜が配向層を有していないために、反応ガスの透過量が多くなり、電解質膜の内部で反応ガスが反応して、電解質膜が経年的に劣化したためと考えられる。
【０１７６】
以上の電解質膜の水素透過量評価試験から、本実施の形態で作製された電解質膜Ｅは反応ガスの透過量が低減することが確認できた。また、単位電池の電池性能評価試験から、本実施の形態で作製された単位電池Ｅは電池電圧の低下がなく、優れた耐久性を示すことが確認できた。
【０１７７】
（変形例）
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。
【０１７８】
（変形例１）
上述の各実施の形態では、電解質膜としてナフィオン１１２を用いているが、電解質膜としては、含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の官能基を有する水素イオン伝導性の電解質膜を用いることができ、例えば、アシプレックス（登録商標）やフレミオン（登録商標）等の他の電解質膜を用いることができる。
【０１７９】
（変形例２）
上述の各実施の形態では、電解質膜は配向軸が一本または二本の配向層を有する電解質膜としているが、電解質膜としては、二本以上の配向軸を形成した配向層を有する電解質膜であっても構わない。
【０１８０】
（変形例３）
配向層を有する電解質膜を作製するときのローラーの押し込み量やローラーの回転数、電解質膜を固定した吸着板の移動速度は、上述した各実施の形態に記載した条件に限定されず、適宜変更しても構わない。
【０１８１】
（変形例４）
上述の各実施の形態では、電解質膜の表面を布を貼り付けたローラーで擦ることで電解質膜に配向層を形成しているが、電解質膜に配向層を形成する方法としては、例えば、電解質膜を延伸することで電解質膜に配向層を形成しても構わない。
【０１８２】
（変形例５）
上述の実施の形態１においては、アノードを電解質膜の配向層と接するように配置して単位電池を作製しているが、カソードを電解質膜の配向層と接するように配置して単位電池を作製しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【０１８３】
以上のように、本発明に係る電解質膜によると、電解質膜を介した反応ガスの透過量を低減することができ、燃料電池に組み込んで使用する場合、高い電池電圧を長期に亘って維持することができるので、家庭用コージェネレーションシステム、電気自動車用電源及びポータブル電源などに使用される燃料電池の用途に適用することができる。
【符号の説明】
【０１８４】
１０，３０，５０，７０  電解質膜
１０ａ，３０ａ，５０ａ，７１ａ  配向層
１０ｂ，３０ｂ，５０ｂ，７１ｂ  非配向層
１１，３１，５１，７３  単位電池
１２  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
１４  アノードガス拡散層
１５  カソードガス拡散層
１６  アノードセパレータ
１７  カソードセパレータ
２０  吸着板
２１  布
２２  ローラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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