(57)【要約】燃料電池プロトン交換膜電解質は、第１の層（６）から形成され、第１の層（６）は、ある方向に配置されたそのより強い方の引張り強さを有し、第１の層は、第２の層（７）に積層され、第２の層（７）は、第１の層のより強い方向に直交するように配置されたそのより強い方の引張り強さを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに付着した２つの膜層を備える電気化学電池膜であって、
前記層のうちの１つの層（６）が、第１の方向に配置されたそのより強い方の引張り強さを有し、前記層のうちの別の１つの層（７）が、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に配置されたそのより強い方の引張り強さを有することを特徴とする電気化学電池膜。
【請求項２】
それぞれの層（６、７）は、プロトン交換膜であることを特徴とする請求項１記載の膜。
【請求項３】
それぞれの層（６、７）は、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜であることを特徴とする請求項１記載の膜。
【請求項４】
請求項１に記載の少なくとも１つの電気化学電池を備えることを特徴とする燃料電池電力設備。
【請求項５】
２つの別々の膜層（６、７）であって、それぞれが軸に沿ったその最強の引張り強さを有する、２つの別々の膜層（６、７）を形成し、
前記層のうちの一方の層（６）の軸が、前記層のうちの他方の層（７）の軸に実質的に直交するように、前記２つの層を単一の膜となるよういっしょに付着させる、
ことを含むことを特徴とする、電気化学電池膜を形成する方法。
【請求項６】
前記の形成するステップは、２つのプロトン交換膜層を形成することを特徴とする請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱応力、特に水が誘発する応力に関連するひずみを許容するための物理的強度を提供する交差積層を用いて、燃料電池システム（耐用期間）におけるプロトン交換膜などの燃料電池膜の耐用期間を延長することに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池電力設備の非常に重要な特徴は、燃料電池スタック自体の信頼できる寿命である。プロトン交換膜を用いる燃料電池スタックでは、スタックの耐用期間の最後は、１つまたは複数の燃料電池内の膜が損傷することによって生じ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
多孔質のセパレータプレートとは対照的にセパレータとして中実の流れ場プレートを用いる燃料電池スタックでは、セパレータは、反応物流れを加湿しない。しかしながら、通常の燃料電池スタックは、さまざまな電池電流密度で作動し、そのため、燃料電池内の反応によって、多少の水が生成する。中実のプレートを用いる燃料電池では、電流密度の変動によって、流れ経路に沿う反応物流れの相対湿度が変動する。次いで、膜の相対湿度は、生成する電流の関数として増減する。その結果、膜は、これらの変化に応じて完全に乾燥するか、完全に濡れてしまう。大抵の燃料電池作動条件では、機械的耐久性が、膜の寿命を、そして、燃料電池スタックの寿命を決定する上で重要な役割を果たす。１つまたは複数の燃料電池の損傷によって、燃料電池スタックの耐用期間が決定されることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
プロトン交換膜を完全に取り囲む不動の縁部シールによって所定の位置に保持されるプロトン交換膜は、電池作動条件の変化に起因してプロトン交換膜が（より濡れてしまうよりは）完全に乾燥する場合に特に、引張り応力の増大を受ける。燃料電池で有用な種類の膜は通常、機械的性質に関して異方性であり、すなわち、これらの膜は、製造の結果としてある軸が別の軸より強度が弱い。例えば、押出しによって重合体繊維は、押出し方向ほどは押出し方向を横切る方向で引張り応力に膜の耐性がなくなるように配列される。
【０００５】
燃料電池作動中に膜に生じる引張り応力の増加に耐えるのを助けるために、膜は、少なくとも２つの層から形成されており、それぞれの層は、他の層のより強い方の方向に垂直に配置されたその層のより強い方の方向を有する。それぞれの層は、通常の過フッ素化（ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ）共重合体から成り、一般に押出しによって形成され、引張り応力により強い耐性のある方向が、押出しと同じ方向になる。しかしながら、より強い方向が別なふうに決まる場合、いずれにしろ、その少なくとも２つの層が、より強い耐性のある方向が互いに直交するように結合される限り、大きな変化を受ける燃料電池、特に中実のプレート反応物流れ場（セパレータ）を有する電池の膜寿命の延長に必要とされるさらなる強度が存在することになる。
【０００６】
上述の交差積層膜によって、燃料電池膜は、特に中実のセパレータでの乾燥反応物条件で、燃料電池電力設備の寿命を延長するのに必要とされる機械的強度を有することになる。さらに、厚み方向の機械的応力に対する耐性の改善もまた本願に記載される交差積層で実現可能である。
【０００７】
他の変形例は、添付の図面に示される例示的な実施例についての以下の詳細な説明に照らしてより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本願の教示による交差積層膜の分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照すると、単一の交差積層膜となるよう結合される２つの層６、７が並べて示されており、その中の点線８は、各層６、７のより強い方の引張り軸を表すように機能する。理解できるように、層６の強い引張り軸は、（図に示されるように）垂直方向であり、一方、層７の強い引張り軸は、(図に示されるように)水平方向である。
【００１０】
２つの層は、通常の手段によって、すなわち、一般的に適切な熱の存在下で一緒にプレスすることによって、単一の交差積層膜に結合可能である。例えば、２つの膜層は、２５０ｐｓｉ（１７２３．７Ｋｐａ）の軸方向荷重、１７０℃、５分間で一緒にプレス可能である。
【００１１】
実験室のベンチテストでは、数組の、２つの同一のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）に基づく膜を選択した。それぞれの、押出し方向の軸（Ｘ軸）および押出し方向に垂直な軸（Ｙ軸）の引張り強さを測定した。膜の軸が互いに平行にいっしょに積層されたいくつかの膜のＸ軸方向の平均極限引張り強さは、約７９６６ｐｓｉ（５４．９ＭＰａ）であった。膜の軸が互いに平行にいっしょに積層されたいくつかの膜のＹ軸方向の平均極限引張り強さは、約６１７０ｐｓｉ（４３．１ＭＰａ）であった。
【００１２】
交差積層（一方の膜のＸ軸が他方の膜のＸ軸と直交する）では、交差積層二層膜の、１つの層のＸ軸方向の平均極限引張り強さは、約７７１０ｐｓｉ（５３．２ＭＰａ）であり、この１つの層のＸ軸に直交する軸方向の平均極限引張り強さは、約７５５０ｐｓｉ（５２．１ＭＰａ）であった。
【００１３】
特定の電池構成および環境では、より多数の層からのさらなる強さを有するのが好ましくなり得るし、そのような場合、（図面に関連する）より強い垂直方向の引張り強さを有するさらなる１つの層およびより強い水平方向の引張り強さを有するさらなる１つの層を追加することができる。もちろん、さらにより多数の層を追加することが有利となる限り、さらにより多数の層を追加することも可能である。
【００１４】
開示の実施例の変更および変形が、概念の趣旨から逸脱せずに可能であるため、添付の特許請求の範囲によって必要とされる以外に本開示を限定する意図はない。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年1月10日(2013.1.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのプロトン交換膜層が互いに付着しており、
前記層のうちの１つの層（６）が、第１の方向に配置されたそのより強い方の引張り強さを有し、前記層のうちの別の１つの層（７）が、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に配置されたそのより強い方の引張り強さを有することを特徴とする電気化学電池膜。
【請求項２】
それぞれの層（６、７）は、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜であることを特徴とする請求項１記載のプロトン交換膜。
【請求項３】
請求項１に記載の少なくとも１つの電気化学電池プロトン交換膜を備えることを特徴とする燃料電池電力設備。
【請求項４】
過フッ素化共重合体から成る、２つの別々のプロトン交換膜層（６、７）であって、それぞれが軸に沿ったその最強の引張り強さを有する、２つの別々のプロトン交換膜層（６、７）を提供し、
いっしょに付着後に前記層のうちの一方の層（６）の軸が、前記層のうちの他方の層（７）の軸に実質的に直交するように、前記２つの層を単一の電気化学電池プロトン交換膜となるよういっしょに付着させる、
ことを含むことを特徴とする、電気化学電池プロトン交換膜を形成する方法。
【請求項５】
前記の提供するステップは、２つのＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜層を提供することを特徴とする請求項４記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
多孔質のセパレータプレートとは対照的にセパレータとして中実の流れ場プレートを用いる燃料電池スタックでは、セパレータは、反応物流れを加湿しない。しかしながら、通常の燃料電池スタックは、さまざまな電池電流密度で作動し、そのため、燃料電池内の反応によって、多少の水が生成する。中実のプレートを用いる燃料電池では、電流密度の変動によって、流れ経路に沿う反応物流れの相対湿度が変動する。次いで、膜の相対湿度は、生成する電流の関数として増減する。その結果、膜は、これらの変化に応じて完全に乾燥するか、完全に濡れてしまう。大抵の燃料電池作動条件では、機械的耐久性が、膜の寿命を、そして、燃料電池スタックの寿命を決定する上で重要な役割を果たす。１つまたは複数の燃料電池の損傷によって、燃料電池スタックの耐用期間が決定されることになる。
米国特許出願公開第２００９／０２６９６４１号には、パーフルオロスルホン酸（ＮＡＦＩＯＮ）膜は十分な強度を有することが不可能であると断言されている。それには、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの十重の樹脂シートを伸張し、２つの断片の伸張軸が互いに直交するように２つの断片を一緒に結合することによって、強化された燃料電池電解質膜を形成する方法が開示されている。次いで、結合されたシート１０を電解質樹脂溶液中に浸漬し、乾燥するか、または、両面に電解質前駆体１１の薄い膜を積層し、次いでアルカリによる加水分解を行い、次いで酸によるプロトン交換を行う。
【国際調査報告】
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