(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を形成する複合型電解質膜であって、
アノード側触媒層およびカソード側触媒層に当接する外側電解質樹脂層と、２つの該外側電解質樹脂層の間に介層された少なくとも２以上の多孔質の補強層と、少なくとも１以上の内側電解質樹脂層と、を有し、外側電解質樹脂層と補強層と内側電解質樹脂層の互層構造を呈しており、
複合型電解質膜を構成する補強層全体に対するアノード側の補強層の割合に比して複合型電解質膜を構成する補強層全体に対するカソード側の補強層の割合が小さくなっており、このことによってアノード側に比してカソード側のイオン交換容量が相対的に大きくなっている複合型電解質膜。
【請求項２】
アノード側の補強層に比してカソード側の補強層の層厚が薄くなっている、請求項１に記載の複合型電解質膜。
【請求項３】
アノード側の補強層に比してカソード側の補強層の気孔率が大きくなっている、請求項１または２に記載の複合型電解質膜。
【請求項４】
補強層全体の層厚に対するカソード側の補強層の層厚の比率が０．３以下である、請求項２または３に記載の複合型電解質膜。
【請求項５】
アノード側の補強層の気孔率に対するカソード側の補強層の気孔率の比率が１．０６〜１．１１の範囲である、請求項３または４に記載の複合型電解質膜。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の複合型電解質膜と、これを挟持するアノード側およびカソード側の触媒層と、からなる膜電極接合体と、これを挟持するセパレータと、を少なくとも具備してなる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補強層と電解質樹脂層の互層構造の複合型電解質膜とこれを具備する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池のセルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側の触媒層およびカソード側の触媒層と、から膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を形成し、この外側にセパレータが配されて単セルを形成している。なお、各触媒層の外側にガス流れの促進と集電効率を高めるためのガス拡散層（ＧＤＬ）が設けられて膜電極接合体（ＭＥＧＡ：ＭＥＡとＧＤＬの接合体）を成し、このガス拡散層の外側にセパレータが配される形態もある。実際には、これらの単セルが発電性能に応じた段積だけ積層され、燃料電池スタックが形成されることになる。
【０００３】
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。この電気化学反応では、アノード電極にて生成されたプロトン（水素イオン）と水が水和状態で電解質膜を透過してカソード電極に至り、カソード電極にて生成水が生成されることとなる。
【０００４】
ところで、燃料電池の発電に必要なプロトンの移動は水を媒体としていることから、電解質膜の含水率が低下するとプロトン伝導性が低下し、結果として発電性能の低下に至ることとなる。特に、低加湿雰囲気下での発電においては、電解質膜の含水率が大きく低下してプロトン伝導性の低下がより顕著となることが分かっている。
【０００５】
したがって、上記する電解質膜に要求される特性として、含水性や保水性、水素イオンや水などの透過性は極めて重要である。この電解質膜の特性を制御する方策として、プロトン伝導性を有する電解質膜を構成する電解質樹脂のイオン交換容量や分子の一次構造、高次構造を検討し、改良することが一般に知られている。しかし、電解質樹脂のイオン交換容量や分子の一次構造、高次構造の改善が容易でないことは理解に易く、したがって、電解質膜の上記特性を向上させる、より簡易な方策の開発が当該分野での重要な課題の一つとなっている。
【０００６】
また、電解質膜の薄膜化によって、たとえば湿潤状態となり易いカソード側から乾燥し易いアノード側への水（たとえば生成水）の逆拡散を促すことによっても、電解質膜の含水性、保水性の確保を図り、該電解質膜における電気抵抗の低下を図ることができる。しかし、電解質膜を薄膜化するにつれてその機械的強度が低下し、電解質膜の耐久性（ひいては燃料電池の耐久性）を低下させること、薄膜化した電解質膜と触媒層とを接合する際の作業性が悪くなって製造効率が低下すること、などの新たな課題が生じてしまう。
【０００７】
そこで、近時、電解質膜の薄膜化を図りながらその機械的強度の低下を抑止する技術として、電解質樹脂層と多孔質の補強層の互層構造を呈した複合型電解質膜が開発されており、その公開技術として特許文献１に開示の電解質膜を挙げることができる。
【０００８】
特許文献１に開示の電解質膜は、多孔質の補強層とこの両側に位置するカソード側電解質層、アノード側電解質層とからなり、含水量が多い電極側に存在する電解質層の体積を含水量の少ない電極側の電解質膜のそれよりも大きくすることで、各電解質層における含水量の均一化を図ろうとするものである。
【０００９】
上記特許文献１に開示の電解質膜では、含水量の多少でアノード側、カソード側の電解質層の体積を変化させるというものであるが、発電過程で両極の含水量の多少は変化するのが一般的であり、したがって、当初設定された両極の電解質層の体積に対して、含水量の多少が変化する場合も生じ得る。また、特に低加湿時においては電解質膜内の含水率が低下し易く、移動できるプロトン量が低下することで発電性能が低下することとなるが、この３層構造（２層の電解質層と、これらに挟持された中央の補強層の互層構造）では、この低加湿時において十分な保水状態を維持することが難しく、含水率の低下を効果的に抑止するには至らないものと考えられる。
【００１０】
また、他の公開技術として特許文献２に開示の複合構造を呈した電解質膜を挙げることができる。この電解質膜は２以上の補強層を有するものであり、したがって、たとえば、２つの補強層に挟まれた中央に位置する電解質層にて水分を確保し、電解質膜の保水性（含水性）を担保することが可能となる。しかし、単に補強層の数を増やしただけでは上記する水の逆拡散を促進するには至らず、したがって、電解質膜における効果的な水マネジメントを図ることはできない。
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２６５８９８号公報
【特許文献２】特開２００６−１５５９２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、電解質樹脂層と多孔質の補強層の互層構造を呈した複合型電解質膜に関し、その構成部材の層構成や層特性に改良を加えることにより、膜厚を厚くすることなく、特に低加湿時において十分な保水性能を有し、さらには、カソード側からアノード側への水分の逆拡散性に優れた複合型電解質膜とこれを具備する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】
【００１３】
前記目的を達成すべく、本発明による複合型電解質膜は、アノード側触媒層およびカソード側触媒層に当接する外側電解質樹脂層と、２つの該外側電解質樹脂層の間に介層された少なくとも２以上の多孔質の補強層と、少なくとも１以上の内側電解質樹脂層と、を有し、外側電解質樹脂層と補強層と内側電解質樹脂層の互層構造を呈しており、アノード側の補強層の割合に比してカソード側の補強層の割合が小さくなっているものである。
【００１４】
本発明の電解質膜は、アノード側、カソード側双方の触媒層に隣接する外側電解質樹脂層と、その間に位置する２以上の多孔質の補強層および１以上の内側電解質樹脂層の計５層以上の互層構造からなる複合型の電解質膜に関するものであり、さらに、アノード側の補強層の割合に比してカソード側の補強層の割合が小さくなっているものである。この互層構造に関して例示すれば、たとえば、アノード側の外側電解質樹脂層、補強層、内側電解質樹脂層、補強層、カソード側の外側電解質樹脂層の５層互層構造や、アノード側の外側電解質樹脂層、補強層、内側電解質樹脂層、補強層、内側電解質樹脂層、補強層、カソード側の外側電解質樹脂層の７層互層構造などを挙げることができる。
【００１５】
本発明の電解質膜では、従来の複合型電解質膜（一般には、中央に位置する一層の補強層とこれを挟持するアノード側、カソード側の電解質樹脂層からなる３層構造）の補強層と同程度の厚みの補強層を２以上に分割して、したがって、一層当たりの厚みが薄い複数の補強層を使用して、より多層の互層構造としたものである。このような多層構造とすることにより、少なくとも中央に位置する内側電解質樹脂層が２層の補強層にて挟持されることになり、この内側電解質樹脂層にて良好な保水性を確保でき、低加湿時においてもプロトン伝導に必要な含水性（保水性）を備えた電解質膜とすることができる。
【００１６】
ここで、多孔質の補強層の素材は特に限定されるものではないが、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトンなどを挙げることができる。また、電解質樹脂層はプロトン伝導性を有する素材であれば特に限定されるものではないが、たとえば、ナフィオン（商品名、デュポン社製）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂や、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基等のイオン伝導性基を側鎖に有するポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリエチレン、ポリシクロオレフィン等の炭化水素系樹脂などを挙げることができる。
【００１７】
また、この補強層と電解質樹脂層の接着方法（複合化方法）としては、溶融含浸法などを適用することができる。この溶融含浸法は、溶液によるキャスト製膜法よりも膜厚制御が容易であり、溶媒蒸発に伴う表面亀裂が生じ得ないことから良好な品質の電解質膜を製造することができる。さらに、電解質分子の高分子量化と分子の絡み合いを促進でき、高耐久な電解質膜を製造することができるものである。
【００１８】
本発明の複合型電解質膜では、上記する互層構造を前提として、さらに、カソード側の補強層の割合をアノード側のそれに比して小さくするものである。
【００１９】
補強層は、プロトン伝導性能、即ち発電性能に寄与するものではなく、あくまでも電解質膜を補強する作用を有するものであることから、補強層の割合が小さいということは、電解質樹脂層の割合が大きいことを意味するものである。電解質樹脂層の割合が大きいということは、単位重量当たりのイオン交換容量が大きいこと（スルホン酸基が多いこと）を意味しており、イオン交換基当量重量（ＥＷ値：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｗｅｉｇｈｔ）が小さいことをも意味している。
【００２０】
カソード側の補強層の割合が相対的に小さくなることで、したがって、カソード側のイオン交換容量が相対的に大きくなることで、カソード側とアノード側とで保水性もしくは含水性に傾斜をもたせることができ（電解質膜の膜厚方向に水濃度分布が形成される）、カソード側からアノード側への水分の逆拡散が促進されることになる。
【００２１】
本発明の複合型電解質膜では、たとえば、アノード側の外側電解質樹脂層、補強層、内側電解質樹脂層、補強層、カソード側の外側電解質樹脂層という互層構造を採用することで電解質膜の保水性能を確保し、これに加えて、カソード側の補強層の割合を小さくすることで水の逆拡散性能を高めて電解質膜自体の水マネジメント性を向上させたものである。
【００２２】
ここで、上記する「カソード側の補強層の割合を小さくする」構成に関し、大きく２つの実施の形態がある。
【００２３】
一つの実施の形態は、アノード側の補強層に比してカソード側の補強層の層厚を薄くすることである。
【００２４】
カソード側の補強層の層厚を相対的に薄くすることはカソード側の電解質樹脂層の層厚を相対的に厚くすることに繋がり、結果として、カソード側のイオン交換容量を大きくすることになる。
【００２５】
他の実施の形態は、アノード側の補強層に比してカソード側の補強層の気孔率を大きくすることである。
【００２６】
なお、カソード側の補強層の層厚を相対的に薄くするとともに、カソード側の補強層の気孔率を相対的に大きくしてもよいことは勿論のことであり、水分の逆拡散性をより一層高めることに繋がる。
【００２７】
上記する補強層の層厚をアノード側、カソード側で変化させることに関し、本発明者等の検証によれば、補強層全体の層厚に対するカソード側の補強層の層厚の比率を０．３以下とすることにより、アノード側とカソード側双方の補強層の層厚が同程度の場合に比して、燃料電池の発電性能を１０％程度向上できるという知見が得られている。
【００２８】
また、補強層の気孔率をアノード側、カソード側で変化させることに関し、本発明者等の検証によれば、アノード側の補強層の気孔率に対するカソード側の補強層の気孔率の比率を１．０６〜１．１１の範囲とすることにより、アノード側とカソード側双方の補強層の気孔率が同程度の場合に比して、燃料電池の発電性能を２〜５％程度向上できるという知見が得られている。
【００２９】
上記する本発明の複合型電解質膜によれば、従来の複合型電解質膜に比してその補強層の厚みを厚くすることなく、電解質膜の保水性能を向上させることができ、特に低加湿時における発電性能の低下を効果的に抑止することが可能となる。さらに、カソード側からアノード側への水分の逆拡散性能を向上させることができ、電解質膜自体の水マネジメント性が向上し、精緻なガスの加湿制御をおこなうことなく、カソード側で生じ易いフラッティングやアノード側で生じ易いドライアップの問題を電解質膜の構造によって効果的に解消することが可能となる。
【００３０】
上記する本発明の複合型電解質膜を有する燃料電池は、家庭用の定置型燃料電池や車載用燃料電池など、その適用分野は他方面に亘るが、特に、近時その生産が拡大しており、車載機器に一層の高性能化を要求する電気自動車やハイブリッド車に好適である。
【発明の効果】
【００３１】
以上の説明から理解できるように、本発明の複合型電解質膜によれば、特に低加湿時における保水性能の向上と、水分の逆拡散性能の向上の双方を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示する複合型電解質膜は、電解質樹脂層と補強層の５層互層構造を呈したものであるが、７層互層構造、９層互層構造など、より多層な互層構造のものであってもよいことは勿論のことである。なお、原則的には補強層全体の層厚を変更しない趣旨から、多層の互層構造になるに従って一つの補強層の層厚が薄くなっていくものである。
【００３３】
図１は、本発明の複合型電解質膜の一実施の形態を具備する膜電極接合体を示した縦断面図である。この複合型電解質膜１０は、アノード側触媒層３０とカソード側触媒層２０に挟持されるものであり、カソード側触媒層２０、アノード側触媒層３０にそれぞれ当接する外側電解質樹脂層１Ａ，１Ｂと、その内部に位置する多孔質のカソード側の補強層２，アノード側の補強層３と、これらの補強層２，３に挟持される内側電解質樹脂層１Ｃの５層構造となっており、複合型電解質膜１０とカソード側触媒層２０、アノード側触媒層３０からＭＥＡ４０（膜電極接合体）が形成される。
【００３４】
ここで、上記する補強層２，３は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトンなどから形成される。また、上記する電解質樹脂層１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、ナフィオン（商品名、デュポン社製）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂や、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基等のイオン伝導性基を側鎖に有するポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリエチレン、ポリシクロオレフィンなどから形成される。また、カソード側、アノード側の触媒層２０，３０は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材から形成される。
【００３５】
この補強層２，３と電解質樹脂層１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、相互に貼り合わせて溶融熱プレスする、溶融含浸法にて接合することができる。
【００３６】
図１で示す複合型電解質膜１０では、電解質樹脂層１Ａ，１Ｂ，１Ｃの層厚が等しく、カソード側の補強層２とアノード側の補強層３の層厚も等しくなっている一方で、カソード側の補強層２の気孔率がアノード側の補強層３に比して相対的に大きくなっている。
【００３７】
カソード側の補強層２の気孔率が大きくなることは、カソード側で補強層の割合が小さくなること、言い換えればカソード側のイオン交換容量が相対的に大きくなることを意味しており、カソード側とアノード側とで含水性に傾斜をもたせることができ、カソード側からアノード側への水分の逆拡散性の促進に繋がるものである。
【００３８】
一方、図２は膜電極接合体の他の実施の形態を具備する膜電極接合体４０Ａを示した縦断面図である。この複合型電解質膜１０Ａも複合型電解質膜１０と同様に５層互層構造を呈するものであるが、外側電解質樹脂層１Ａ’,１Ｂ’の層厚が内側電解質樹脂層１Ｃ’よりも薄くなっており、さらに、カソード側の補強層２Ａの層厚がアノード側の補強層３Ａよりも薄くなっている。
【００３９】
２つの補強層２Ａ，３Ａに挟持された内側電解質樹脂層１Ｃ’の層厚を他の電解質樹脂層１Ａ’,１Ｂ’よりも厚くすることにより、厚層の内側電解質樹脂層１Ｃ’によって保水される含水量が多くなることから、特に低加湿時における良好なプロトン伝導性を担保することができる。なお、外側電解質樹脂層１Ａ’,１Ｂ’と内側電解質樹脂層１Ｃ’の層厚の合計は、図１で示す複合型電解質膜１０における電解質樹脂層の層厚の合計と同程度である。
【００４０】
また、カソード側の補強層２Ａの層厚がアノード側の補強層３Ａに比して相対的に薄くなっていることにより、上記気孔率を変化させた場合と同様に、カソード側の補強層の割合を小さくすることができ、カソード側からアノード側への水分の逆拡散性が促進される。
【００４１】
なお、層厚を変化させるだけでなく、さらに、カソード側の補強層２Ａの気孔率をアノード側の補強層３Ａのそれよりも大きくしてもよく、この場合には、カソード側とアノード側の間の水濃度勾配に一層大きな傾斜をもたせることができ、水分の逆拡散性が一層促進される。
【００４２】
図３は、図１で示すＭＥＡ４０を具備する燃料電池セル（単セル）の一実施の形態を示した縦断図であり、セパレータからガス流路層が分離された、いわゆるフラットタイプモジュールセルを示したものである。
【００４３】
この燃料電池セル１００は、ＭＥＡ４０と、これを挟持するアノード側、カソード側のガス拡散層５０，５０と、からＭＥＧＡ６０（膜電極接合体）が形成され、この膜電極接合体６０をカソード側、アノード側のガス流路層７０，７０が挟持し、さらにガス流路層７０，７０をセパレータ８０，８０が挟持して構成されるものである。
【００４４】
ここで、ガス拡散層５０は、カーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス透過性の素材から形成され、ガス流路層７０は、多孔質のエキスパンドメタルから形成される。
【００４５】
３層構造のセパレータ８０は、隣接する単セルとの間でセル間を画成する面材８３と、これに対向するＭＥＧＡ側の面材８１と、これら面材８１，８３間に介層され、面材８１，８３の外周輪郭に沿う枠状（無端状）に形成された樹脂素材のスペーサ８２と、から構成されている。この面材８１，８３は、ガス不透過性の緻密なカーボン材や緻密黒鉛材などから形成される。面材８１における面材８３に対向する側面には、不図示の多数の突起（ディンプル）が備えてあり、この突起がスペーサ８２の厚み分の高さを有していることにより、３層構造となった際に、突起の先端が面材８３の側面と当接され、乱流状に突起間を流れる冷却水の流路が形成される。
【００４６】
カソード側では、酸化剤ガスをガス流路層７０を介してカソード側の触媒層２０に提供するために、セパレータ８０と、ガス流路層７０を囲繞するフレーム材７１とを貫通する供給マニホールドＭ１が開設されており、同時に、ガス流路層２０を流れたガスや生成水を排出するための排出マニホールドＭ２が形成されている。なお、アノード側においても、同様に燃料ガスをガス流路層７０を介してアノード側の触媒層３０に提供するための供給マニホールドＭ１と排出マニホールドＭ２が形成されている。
【００４７】
さらに、カソード側の触媒層２０とアノード側の触媒層３０の双方に提供されるガスのシール性を担保するためのゴム製のガスケット９０が、射出成形にてＭＥＧＡ６０の周縁に一体成形されている。
【００４８】
実際の燃料電池においては、所望する発電量に応じて図示する燃料電池セル１００が所定段積層されて燃料電池スタックが形成される。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。
【００４９】
電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
【００５０】
[本発明の複合型電解質膜を具備する燃料電池セル（実施例１，２）と従来の複合型電解質膜を具備する燃料電池セル（比較例）の低加湿雰囲気におけるセル電圧を比較した実験とその結果]
本発明者等は、従来構造の複合型電解質膜を有する燃料電池と図１，２で示す本発明の複合型電解質膜を有する燃料電池を試作し、それらの低加湿雰囲気におけるセル電圧を実測し、比較する実験をおこなった。図４は、実施例、比較例の各モデルを模式的に示したものであり、図４ａは比較例モデルを、図４ｂは実施例１のモデルを、図４ｃは実施例２のモデルをそれぞれ示している。
【００５１】
図４ａで示す比較例モデルＭ１は、層厚：Ｌ１の補強層モデルＭｈを層厚がともにＬ２の電解質樹脂層モデルＭｄ，Ｍｄが挟持した３層構造の複合型電解質膜モデルであり、これをカソード側触媒層モデルＭｋ，アノード側触媒層モデルＭａが挟持してＭＥＡを形成している。また、図４ｂで示す実施例１モデルＭ２は、層厚が２／３Ｌ２の内側電解質樹脂層モデルＭｄ１を層厚がともに１／２Ｌ１の補強層モデルＭｈ１，Ｍｈ２が挟持し、これを層厚がともに２／３Ｌ２のカソード側、アノード側の外側電解質樹脂層モデルＭｄ２，Ｍｄ３が挟持した５層構造の複合型電解質膜モデルであり、これをカソード側触媒層モデルＭｋ，アノード側触媒層モデルＭａが挟持してＭＥＡを形成している。さらに、図４ｃで示す実施例２モデルＭ３は、層厚が４／３Ｌ２の内側電解質樹脂層モデルＭｄ１’を層厚が１／３Ｌ１のカソード側の補強層モデルＭｈ１’と層厚が２／３Ｌ１のアノード側の補強層モデルＭｈ２’が挟持し、これを層厚がともに１／３Ｌ２のカソード側、アノード側の外側電解質樹脂層モデルＭｄ２’，Ｍｄ３’が挟持した５層構造の複合型電解質膜モデルであり、これをカソード側触媒層モデルＭｋ，アノード側触媒層モデルＭａが挟持してＭＥＡを形成している。
【００５２】
比較例モデルにおいては、ＰＴＦＥ（フッ素樹脂）の多孔質膜の製膜法として一般的な延伸法にて補強層を製造し、電解質樹脂前駆体（末端基が−ＳＯ２Ｆ）を補強層モデルの両側に貼り合わせ、溶融熱プレスすることによって複合化させた。これを水酸化ナトリウムとジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）の混合溶液で加水分解し、次いで硫酸水溶液で酸処理を施して分子側鎖末端を−ＳＯ３Ｈとした後に乾燥させ、その両側にカソード側触媒層、アノード側触媒層を熱圧着させることで比較例モデルＭ１を製造した。
【００５３】
実施例１モデルにおいては、基本的な製造方法は比較例モデルと同様であるが、延伸法によって気孔率の異なる補強層モデルＭｈ１，Ｍｈ２としている。
【００５４】
実施例２モデルにおいては、上記するように、カソード側の補強層モデルＭｈ１’の層厚をアノード側の補強層モデルＭｈ２’の層厚の半分とし、電解質樹脂層も内側と外側で層厚を変化させている。
【００５５】
なお、比較例モデル、実施例１モデル、実施例２モデルともに、補強層の全層厚は等しく、電解質樹脂層の全層厚も等しくなっている。
【００５６】
上記各モデルを使用してそれぞれに燃料電池を製作し、相対湿度が４０％Ｒｈの低加湿雰囲気でのセル電圧を電流を変化させながら計測した。その計測結果を図５に示している。なお、同図において、比較例モデルのＭＥＡを具備する燃料電池の結果を点線のＹ線で、実施例１モデルのＭＥＡを具備する燃料電池の結果を実線のＸ１線で、実施例２モデルのＭＥＡを具備する燃料電池の結果を一点鎖線のＸ２線でそれぞれ示している。
【００５７】
図５より、電流値が大きくなるにつれて、比較例に対する実施例１，２のセル電圧の割合は高くなっており、このことは、比較例の３層構造から実施例１，２の５層構造とすることで電解質膜の保水性が高められ、プロトン伝導性が良好となっていることによるものである。
【００５８】
また、実施例１，２では、ともにカソード側の補強層の割合が小さくなっていることから、カソード側からアノード側に向って電解質膜の膜厚方向に水濃度分布が形成され、アノード側への水移動のドライビングフォースが増大し、発電によってカソード側にて生成された生成水のアノード側への逆拡散が促進される結果、発電性能が向上していると特定される。
【００５９】
[アノード側の補強層の気孔率に対するカソード側の補強層の気孔率の比率を変化させた際の発電性能比に関する実験とその結果]
また、本発明者等は、図４ｂで示す実施例１モデルにおいてアノード側補強層とカソード側補強層の気孔率の比率を変化させ、各モデルごとのセル電圧を計測した。その中で、双方の補強層の気孔率の比率が１（双方ともに同じ気孔率）の場合のセル電圧を基準とし、他の比率の場合のセル電圧をこの基準値に対する比で正規化したグラフを図６に示している。
【００６０】
図６において、横軸のＰｋはカソード側補強層の気孔率を示しており、Ｐａはアノード側補強層の気孔率を示している。
【００６１】
同図より、気孔率の比率が１．０６で発電性能比は２％、気孔率の比率が１．１１で発電性能比は５％上昇する結果となり、このことは、カソード側の気孔率を相対的に大きくすることで生成水のアノード側への逆拡散が促進され、発電性能が向上することによるものである。
【００６２】
[補強層全体に対するカソード側の補強層の比率を変化させた際の発電性能比に関する実験とその結果]
さらに、本発明者等は、図４ｃで示す実施例２モデルにおいて補強層全体に対するカソード側の補強層の比率を変化させ、各モデルごとのセル電圧を計測した。その中で、カソード側補強層の層厚が全補強層となる場合のセル電圧を基準とし、他の比率の場合のセル電圧をこの基準値に対する比で正規化したグラフを図７に示している。
【００６３】
図７において、横軸のｄ２はカソード側補強層の層厚を示しており、ｄは補強層全体の層厚を示している。
【００６４】
同図より、カソード側補強層の層厚が全体の０．６（半分以上）〜０．３（３０％の厚み）の範囲で発電性能が大きく向上し、特に０．３以下では、発電性能比はおよそ１０％程度上昇する結果となった。この実験結果は、図６で示す実験結果と同様、カソード側の気孔率を相対的に大きくすることで生成水のアノード側への逆拡散が促進され、発電性能が向上することによるものである。
【００６５】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の複合型電解質膜の一実施の形態を具備する膜電極接合体を示した縦断面図である。
【図２】本発明の複合型電解質膜の他の実施の形態を具備する膜電極接合体を示した縦断面図である。
【図３】図１の膜電極接合体を具備する燃料電池セルの縦断面図である。
【図４】本発明の複合型電解質膜を具備する燃料電池セル（実施例１，２）と従来の複合型電解質膜を具備する燃料電池セル（比較例）の実験モデルを説明した模式図であり、（ａ）は比較例モデルを示した図であり、（ｂ）は実施例１のモデルを示した図であり、（ｃ）は実施例２のモデルを示した図である。
【図５】本発明の複合型電解質膜を具備する燃料電池セル（実施例１，２）と従来の複合型電解質膜を具備する燃料電池セル（比較例）の低加湿雰囲気におけるセル電圧の実測結果を示したグラフである。
【図６】アノード側の補強層の気孔率に対するカソード側の補強層の気孔率の比率を変化させた際の発電性能比に関する実験結果を示したグラフである。
【図７】補強層全体に対するカソード側の補強層の比率を変化させた際の発電性能比に関する実験結果を示したグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１Ａ，１Ａ’…外側電解質樹脂層、１Ｂ，１Ｂ’…外側電解質樹脂層、１Ｃ，１Ｃ’…内側電解質樹脂層、２，２Ａ…カソード側の補強層、３，３Ａ…アノード側の補強層、１０，１０Ａ…複合型電解質膜、２０…カソード側触媒層、３０…アノード側触媒層、４０，４０Ａ…ＭＥＡ（膜電極接合体）、５０…ガス拡散層（ＧＤＬ）、６０…ＭＥＧＡ(膜電極接合体)、７０…ガス流路層、８０…セパレータ、８１，８３…面材、８２…スペーサ、９０…ガスケット、１００…燃料電池セル
【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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