(57)【要約】      （修正有）【課題】シート状の補強材により補強した補強材複合化電解質膜における水の不均一な面内分布状態を改善し、発電性能を向上させた燃料電池を提供する。【解決手段】多孔質のシート状補強材９を内部に備えた電解質膜１であって、前記シート状補強材は、アノード側ガス流路の上流域８ｉｎでは、電解質膜の厚み方向における配設位置がカソードよりもアノードに近い位置であり、カソード側ガス流路の上流域７ｉｎでは、電解質膜の厚み方向における配設位置がアノードよりもカソードに近い位置であること、並びに、前記シート状補強材は、アノード側ガス流路の下流域８ｏｕｔでは、電解質膜の厚み方向における配設位置がアノードよりもカソードに近い位置であり、カソード側ガス流路の下流域７ｏｕｔでは、電解質膜の厚み方向における配設位置がカソードよりもアノードに近い位置である。【選択図】図２
2007273191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質のシート状補強材を内部に備えた電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられたアノード及び他方の面に設けられたカソードと、前記アノードに反応ガスを供給するアノード側ガス流路及び前記カソードに反応ガスを供給するカソード側ガス流路とを備える燃料電池であって、
前記シート状補強材は、前記アノード側ガス流路の上流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がカソードよりもアノードに近い位置であり、前記カソード側ガス流路の上流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がアノードよりもカソードに近い位置であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記シート状補強材は、前記アノード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がアノードよりもカソードに近い位置であり、前記カソード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がカソードよりもアノードに近い位置である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
多孔質のシート状補強材を内部に備えた電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられたアノード及び他方の面に設けられたカソードと、前記アノードに反応ガスを供給するアノード側ガス流路及び前記カソードに反応ガスを供給するカソード側ガス流路とを備える燃料電池であって、
前記シート状補強材は、前記アノード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がアノードよりもカソードに近い位置であり、前記カソード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がカソードよりもアノードに近い位置であることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記アノード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向と前記カソード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向とが略逆方向（略向流）であり、
前記補強材は、前記アノード側ガス流路の上流域であって前記カソード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設され、前記カソード側ガス流路の上流域であって前記アノード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向と前記カソード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向とが略直交（略直交流）であり、
前記補強材は、前記アノード側ガス流路の上流域であって前記カソード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設され、前記カソード側ガス流路の上流域であって前記アノード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気的に接続された２つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池において、アノード（燃料極）では（１）式の反応が進行する。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    ・・・（１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。
【０００４】
一方、カソードでは（２）式の反応が進行する。
４Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ    ・・・（２）
このとき、（２）式の反応に寄与するプロトンは、上述したように水と水和した状態でカソード側からアノード側へと移動するため、電解質膜は高い湿潤状態に保たれている必要がある。
【０００５】
しかしながら、各電極に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が電極面に流れ込むガス流路の上流域は反応ガスの流勢が強く、反応ガスによって電極及び電解質膜の水分が奪われやすい。その結果、各反応ガスの上流域の電極及び電解質膜は乾燥状態となりやすく、プロトン伝導性が低くなる傾向がある。
【０００６】
一方、反応ガスは、電極に面するガス流路を通流する際に電極や電解質膜から奪う水分や、電極や電解質膜の余剰の水分によって次第に加湿され、上流側から下流側へと進むにつれて次第に湿度が高くなる。この湿度の高い反応ガスの流通により、各ガス流路の下流域の電極及び電解質膜は、高湿潤状態となるため余剰の水分によって水浸しになるいわゆるフラッディングが発生しやすい。その結果、反応ガスの拡散性が低下し、式（１）や（２）の進行が妨げられ、燃料電池の発電効率が低下する傾向がある。
上記のような電解質膜の面内水分分布は、隣接する電極における反応ガスの流通方向に依存し、各電極と接する電解質膜表面それぞれにおいて異なってくる。
【０００７】
このように、燃料電池の各電極や電解質膜の面内水分環境は、反応ガスの上流域と下流域とで大きく異なり、発電効率を低下させる原因の１つとなっている。従って、反応ガスの上流域と下流域における各電極及び電解質膜の面内水分環境の差を小さくすることが求められている。
従来、向流や直交流のように各反応ガスの入口同士、出口同士の平面位置を異ならしめて反応ガスの上流側を相互に湿潤しあう構成が知られている。
【０００８】
一方で、膜・電極接合体の電気抵抗を低下させ、固体高分子型燃料電池の出力密度を向上させることが望まれている。膜・電極接合体の電気抵抗を低下させるための対策としては、膜・電極接合体の水分管理による電解質膜の高湿潤状態の保持、電解質膜の薄膜化が挙げられる。このうち、電解質膜の薄膜化は、カソードからアノードへの水の逆拡散を促し、電解質膜の高湿潤状態の保持にも寄与するものであり、膜・電極接合体の電気抵抗の低下に大きな効果があると見込まれる。
【０００９】
しかしながら、固体高分子電解質膜の薄膜化は、膜の機械的強度の低下を招き、膜・電極接合体内における膜の寸法変化に伴う耐久性の低下、さらには電極と接合する際に加工や取り扱いが困難になるなどの問題を生じる。
【００１０】
そこで、固体高分子電解質膜の機械的強度を向上させるために、補強材と固体高分子電解質を複合化した補強材複合化電解質膜が提案されている。具体的には、ジャパンゴアテックス社製のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ膜（商品名）に代表される延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を補強材とした延伸多孔質ＰＴＦＥ含浸膜（Ｇｏｒｅ膜）や、特許文献１に記載のポリエチレン繊維からなる織布又は不織布を補強材としたもの、並びに、ポリエチレン繊維からなる補強材を電解質膜内に分散させたもの等が挙げられる。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−２３１９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に記載の補強材を含む電解質膜や、Ｇｏｒｅ膜等の従来の補強材複合化電解質膜は、補強材により電解質膜の厚み方向における水の移動が制限されるため、補強材を含まない電解質膜と比較して電解質膜内の不均一な水の分布が助長される。また、向流や直交流のようにガス流路の入口同士、出口同士の平面位置をずらした場合であっても、反応ガス流路の上流域の電解質膜は、補強材を介して反対極側から移動してくる水分量が少ないため乾燥状態が緩和されにくく、過度な乾燥状態（ドライアップ状態）となりやすい。一方、この場合の反応ガス流路の下流域の電解質膜は、補強材を介して反対極側へ移動していく水分量が少ないためさらにフラッディングが発生しやすくなる。
【００１３】
このような電解質膜内の水分濃度差の拡大は、燃料電池の発電性能を大きく低下させるものである。従って、従来の補強材複合型電解質膜は、電解質膜の薄膜化の目的は達せられるものの、電解質膜内の水の面内分布の不均一化を招きやすいため、膜・電極接合体の電気抵抗を低下させる効果は差し引かれてしまい、出力密度の向上を十分に図ることはできない。
【００１４】
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、シート状の補強材により補強した補強材複合化電解質膜における水の不均一な面内分布状態を改善し、発電性能を向上させ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】
【００１５】
本発明の第一の燃料電池は、多孔質のシート状補強材を内部に備えた電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられたアノード及び他方の面に設けられたカソードと、前記アノードに反応ガスを供給するアノード側ガス流路及び前記カソードに反応ガスを供給するカソード側ガス流路とを備える燃料電池であって、前記シート状補強材は、前記アノード側ガス流路の上流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がカソードよりもアノードに近い位置であり、前記カソード側ガス流路の上流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がアノードよりもカソードに近い位置であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第一の燃料電池は、シート状補強材を、アノード側反応ガスの上流域では、電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設することによって、補強材から電解質膜表面までの厚さを薄くし、当該補強材から電解質表面までの電解質樹脂が吸収できる水分量を少なくすることで、少ない含水量でも電解質膜のアノード側反応ガス上流域の乾燥を抑制することを可能とした。同様に、カソード側ガス流路の上流域では、シート状補強材を、電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設することによって、補強材から電解質膜表面への厚さを薄くし、当該補強材から電解質表面までの電解質樹脂が吸収できる水分量を少なくすることで、少ない含水量でも電解質膜のカソード側反応ガス上流域の乾燥を抑制することを可能とした。
【００１７】
このとき、さらに、アノード側及びカソード側ガス流路の下流域におけるフラッディングを防止するためには、前記シート状補強材を、前記アノード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がアノードよりもカソードに近い位置に、前記カソード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がカソードよりもアノードに近い位置に配設することが好ましい。
【００１８】
また、本発明の第二の燃料電池は、多孔質のシート状補強材を内部に備えた電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられたアノード及び他方の面に設けられたカソードと、前記アノードに反応ガスを供給するアノード側ガス流路及び前記カソードに反応ガスを供給するカソード側ガス流路とを備える燃料電池であって、前記シート状補強材は、前記アノード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がアノードよりもカソードに近い位置であり、前記カソード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がカソードよりもアノードに近い位置であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第二の燃料電池は、シート状補強材を、アノード側ガス流路の下流域では、電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設し、カソード側ガス流路の下流域では、シート状補強材を、電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設することによって、各反応ガスの下流域におけるフラッディングを防止することを可能とした。
【００２０】
本発明の第一及び第二の燃料電池の具体的な形態としては、前記アノード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向と前記カソード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向とが略逆方向（略向流）であり、前記補強材は、前記アノード側ガス流路の上流域であって前記カソード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設され、前記カソード側ガス流路の上流域であって前記アノード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設されているものが例示できる。
【００２１】
また、前記アノード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向と前記カソード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向とが略直交（略直交流）であり、前記補強材は、前記アノード側ガス流路の上流域であって前記カソード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設され、前記カソード側ガス流路の上流域であって前記アノード側ガス流路の下流域では、前記電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設されているものも例示できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、補強材複合化電解質膜内の不均一な水分布を改善することが可能であるため、フラッディングやドライアップ等が発生しにくい。そのため、補強材複合化電解質膜内における補強材に起因する膜抵抗の増大や該膜に隣接する電極におけるガス拡散性の低下を抑制することができる。
しかも、本発明の燃料電池に用いられる電解質膜は、補強材によって電解質膜の機械的強度が確保されているため、薄膜化が可能であり、また、膜・電極接合体内における膜の寸法変化による耐久性の低下を防止することができる。加えて、電解質膜の機械的強度が保持されていることから、燃料電池製造時における取り扱いも簡単である。
【００２３】
従って、本発明の燃料電池は、電解質膜の薄膜化による電気抵抗低下の効果が高く、高い出力密度を発現する優れた発電性能を有する。また、補強材による電解質膜の機械的強度の向上により、耐久性にも優れるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の燃料電池は、多孔質のシート状補強材を内部に備えた電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられたアノード及び他方の面に設けられたカソードと、前記アノードに反応ガスを供給するアノード側ガス流路及び前記カソードに反応ガスを供給するカソード側ガス流路とを備える燃料電池であって、前記シート状補強材は、前記アノード側ガス流路の上流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がカソードよりもアノードに近い位置であり、前記カソード側ガス流路の上流域では、前記電解質膜の厚み方向における配設位置がアノードよりもカソードに近い位置であることを特徴とするものである。
【００２５】
以下、本発明の燃料電池について図１〜図９を用いて説明する。図１は、本発明の燃料電池における単セルの一形態例を示す図であって積層方向に切断した断面図である。図２は、本発明を適用した燃料電池の一実施形態を示す図である。また、図３〜図７は、本発明を適用した燃料電池の他の実施形態を示す図である。
【００２６】
図１に示すように、単セル１００は、電解質膜１と、該電解質膜１の一方の面に設けられたカソード（酸化剤極）２と、該電解質膜１の他方の面に設けられたアノード（燃料極）３とからなる膜・電極接合体４が、カソード側セパレータ５とアノード側セパレータ６とに狭持された構造を有している。カソード側セパレータ５の片面には、カソード側ガス流路７を形成する溝が設けられている。また、アノード側セパレータ６の片面には、アノード側ガス流路８を形成する溝が設けられている。
【００２７】
カソード側ガス流路７は、カソード側セパレータ５の一面に形成された溝とカソード２の最外面とで画成された空間からなり、カソード２に酸化剤ガス（酸素を含む又は酸素を発生させる気体）を供給するため経路である。
一方、アノード側ガス流路８は、アノード側セパレータ６の一面に形成された溝とアノード３の最外面とで画成された空間からなり、アノード３に燃料ガス（水素を含む又は水素を発生させる気体）を供給するための経路である。
【００２８】
図２は、本発明を適用した燃料電池におけるカソード側セパレータ５が画成するカソード側ガス流路７及びアノード側セパレータ６が画成するアノード側ガス流路８の形態と、電解質膜１内に備えられた補強材９の配設形態との関係を説明する図であって、（２Ａ）は電解質膜１とカソード側セパレータ５及びアノード側セパレータ６の分解透視図、（２Ｂ）は、カソード側セパレータ５が画成するカソード側ガス流路７及びアノード側セパレータ６が画成するアノード側ガス流路８を上面（紙面上側）から見た図である。
【００２９】
本発明の燃料電池に用いられる電解質膜１は、図２に示すように、その内部に多孔質のシート状補強材９を備えた補強材複合化電解質膜であり、シート状補強材９の両面を電解質樹脂１０で挟み込んだサンドイッチ構造を有している。尚、図示しないが、シート状補強材９の孔内部にも電解質樹脂１０が入り込んでおり、この孔内の電解質樹脂を介して、シート状補強材９を挟み込む電解質樹脂間でのプロトン伝導が行われる。
【００３０】
図２において、燃料ガス（アノード側ガス）は、アノード側ガス流路入口（アノード側ガスの供給マニホールド）８inからアノード側ガス流路８内に流れ込み、アノード側ガス流路８内をアノード側ガス流路出口（アノード側ガスの排出マニホールド）８outへ向かって流れ、当該出口８outより外部へと排出される。同様に、酸化剤ガス（カソード側ガス）は、カソード側ガス流路入口（カソード側ガスの供給マニホールド）７inからカソード側ガス流路７内に流れ込み、カソード側ガス流路７内をカソード側ガス流路出口（カソード側ガスの排出マニホールド）７outへ向かって流れ、当該出口７outより外部へと排出される。
【００３１】
本発明の燃料電池は、電解質膜１内に備えられるこのシート状補強材９の配設形態に特徴を有するものである。すなわち、図２に示す実施形態においては、シート状補強材９は、アノード側ガス流路８の上流域（入口８in側）に対応する領域では、電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置（電解質膜の厚み方向における中点よりもアノード側）に配設されている。また、シート状補強材９は、カソード側ガス流路７の上流域（入口７in側）に対応する領域では、電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置（電解質膜の厚み方向における中点よりもカソード側）に配設されている。
【００３２】
さらに、シート状補強材９は、アノード側ガス流路８の下流域（出口８out側）に対応する領域では、電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置（電解質膜の厚み方向における中点よりもカソード側）に配設されている。また、カソード側ガス流路７の下流域（出口７out側）に対応する領域では、電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置（電解質膜の厚み方向における中点よりもアノード側）に配設されている。
【００３３】
上述したように、各反応ガスの上流域は、反応ガスの流勢が強いために反応ガスによって水分が奪われやすく電極及び電解質膜が乾燥状態となりやすい。すなわち、反応ガスの上流域では電解質膜の含水量（絶対量）が少なくなる。特に、本発明の燃料電池のように補強材を用いた電解質膜では、当該補強材が水分移動の障壁となるため、一方の電極側の反応ガスの上流域は乾燥状態であるにもかかわらず、補強材よりも反対極側からの水の移動が少なく、反対極側に存在する電解質樹脂がたとえ高い湿潤状態であったとしても、反応ガスの上流域の電解質膜の乾燥状態が緩和されにくい。
【００３４】
一方、反応ガスの下流域は、反応ガスの湿度が高いため、電極及び電解質膜は高湿潤状態となりやすい。すなわち、反応ガスの下流域では電解質膜の含水量（絶対量）が多くなる。特に、本発明の燃料電池のように補強材を用いた電解質膜では、当該補強材が水分移動の障壁となるため、一方の電極側の反応ガスの下流域の電解質樹脂から補強材よりも反対極側へ水分が移動しにくく、補強材よりも反対極側に存在する電解質樹脂がたとえ乾燥状態であったとしても、高湿潤状態が保持されてしまう。
このように反応ガスの上流域と下流域とでは、電解質膜内の含水量が大きく異なる。
以上のような電解質膜の水分分布は、各電極と接する電解質膜の各表面で、当該各表面が接する電極へ供給される反応ガスの流路形態に応じて異なってくる。
【００３５】
従来のシート状補強材を備えた補強材複合化電解質膜では、電解質膜と同等の平面形状を有するシート状補強材が、当該シート状補強材の面方向を電解質膜の面方向とほぼ平行にして電解質膜内に配設されていた（図１３参照。１３Ａ：斜視図、１３Ｂ：断面図）。通常、電解質膜は、ほぼ一定の厚みを有しているため、上記のような従来の補強材複合化電解質膜において、各電解質膜表面からシート状補強材への距離はほぼ一定となる。そのため、水分移動の障壁となる補強材により、電解質膜内において上流域と下流域とで含水量が大きく異なるにもかかわらず、補強材から電極表面への電解質の膜厚が同じ、すなわち、上流域と下流域とで補強材９から電解質膜表面までの電解質樹脂の量（体積）が同じであることにより、上流域の電解質樹脂の単位体積当りの水分量と下流域の電解質樹脂の単位体積当りの水分量の差が大きかった。
【００３６】
そこで、本発明の第一の燃料電池は、シート状補強材を、アノード側反応ガスの上流域では、電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設することによって、補強材から電解質膜表面までの厚さを薄くし、当該補強材から電解質表面までの電解質樹脂が吸収できる水分量を少なくすることで、少ない含水量でも電解質膜のアノード側反応ガス上流域の乾燥を抑制することを可能とした。同様に、カソード側ガス流路の上流域では、シート状補強材を、電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設することによって、補強材から電解質膜表面への厚さを薄くし、当該補強材から電解質表面までの電解質樹脂が吸収できる水分量を少なくすることで、少ない含水量でも電解質膜のカソード側反応ガス上流域の乾燥を抑制することを可能とした。
【００３７】
一方、本発明の第二の燃料電池は、シート状補強材を、アノード側ガス流路の下流域では、電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設し、カソード側ガス流路の下流域では、シート状補強材を、電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設することによって、各反応ガスの下流域におけるフラッディングを防止することを可能とした。
ガス流路の下流域に存在する電解質樹脂は高湿潤状態となりやすいが、アノード側ガス流路及びカソード側ガス流路の下流域における補強材から電解質膜表面までの厚さを厚くすることによって、当該補強材から電解質表面までの電解質樹脂が吸収できる水分量が多くなるので、たとえ補強材が反対極側の電解質膜への水分移動の障壁となっても、フラッディングの発生を抑制することが可能となる。
【００３８】
尚、上記第一の燃料電池は、アノード側ガス流路の入口とカソード側ガス流路の入口が電解質膜の面方向において異なる位置にずらして配置されていること、すなわち、少なくともアノード側ガス流路入口近傍の上流域とカソード側ガス流路入口近傍の上流域とが重なっていないことが前提となり、上記第二の燃料電池は、アノード側ガス流路の出口とカソード側ガス流路の出口が電解質膜の面方向において異なる位置にずらして配置されていること、すなわち、少なくともアノード側ガス流路出口近傍の下流域とカソード側ガス流路出口近傍の下流域とが重なっていないことが前提となる。
通常、水管理を考慮して向流、直交流など、各反応ガス流路の入口同士及び／又は出口同士の面方向位置がずれているので、本発明ではほとんど場合に適用可能である。本発明の燃料電池において、典型的な並流となるガス流路形態は含まれない。
【００３９】
第一の発明及び第二の発明を共に適用する場合、すなわち、シート状補強材を、アノード側反応ガスの上流域では電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に、カソード側ガス流路の上流域では電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に、アノード側反応ガスの下流域では電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に、カソード側ガス流路の下流域では電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に、それぞれ配設する場合には、各反応ガス流路上流域での電解質膜の乾燥を抑制すると同時に、各反応ガス流路下流域でのフラッディングを防止することができるため、電解質膜の面方向におけるさらなる水分分布の均一化を図ることが可能である。
【００４０】
電解質膜内の水分分布の均一化の観点から、補強材は、各反応ガスの上流域及び下流域において、本発明が特徴とする配設形態で配設されることが好ましいが、各反応ガスの流路形態によっては、上流域のみ又は下流域のみにおいて上記のような補強材の配設が可能な場合がある。その場合には、上流域における補強材の配設形態を優先させることが好ましい。電解質膜は一旦過度の乾燥状態になると、電解質膜の吸水性が著しく低下し、このように吸水性が極端に低下した状態では水分が移動してきたとしても吸収せず、プロトン伝導性を発現しなくなるという致命的なダメージを受ける場合があるからである。また、電解質膜の過度な乾燥は、プロトン伝導性の低下を招く穴あきを発生させるおそれもある。
【００４１】
以上のように、本発明によれば、シート状補強材を挟み込んだ電解質膜の面方向における湿潤状態を、燃料電池の発電に適した状態となるように改善することができる。
その結果、フラッディングやドライアップのような電解質膜や電極内における水の分布状態を原因とする電解質膜の抵抗の増大、電極におけるガス拡散性の低下が抑制され、燃料電池の発電性能が向上する。
【００４２】
また、本発明の燃料電池における電解質膜は、補強材によって補強されているため、電解質膜の薄膜化に伴う機械的強度の低下が抑制されている。ゆえに、膜・電極接合体における膜の寸法変化による耐久性の低下を防止することができる。また、その機械的強度により製造時における取り扱いも簡単である。
従って、本発明の燃料電池は、優れた発電効率を発現し、耐久性に優れるものである。
【００４３】
尚、本発明においてシート状補強材は、反応ガス流路の上流域全域又は下流域全域において、電解質膜の厚み方向での配設位置がカソードよりもアノードに近い位置、又は、アノードよりもカソードに近い位置であることが好ましいが、反応ガス流路の構造上、全域において上記配設位置とすることが困難な場合が多く、反応ガス流路の上流域の一部や下流域の一部で上記配設位置とすればよい。具体的なシート状補強材の配設形態は特に限定されないが、少なくとも電解質膜が特に乾燥しやすい領域、典型的にはガス流路入口近傍の領域や、フラッディングが特に発生しやすい領域、典型的にはガス流路出口近傍の領域で上記配設位置とすることが好ましい。
反応ガスの流路上流域は、反応ガス流路の入口から出口までの流路長上流側２分の１の領域、反応ガスの流路下流域は、反応ガス流路の入口から出口までの流路長下流側２分の１の領域とすることが好ましい。
【００４４】
電解質膜における各反応ガス流路の上流域及び下流域は、当該反応ガス流路の形態（流路入口及び流路出口の位置、流路の経路の形態等）によって異なる。
本発明による効果を奏する反応ガス流路形態は、以下のようなものである。
すなわち、まず、電解質膜の両面側に設けられる各ガス流路の入口（７in、８in）に注目する。次に、電解質膜を直方体とみなし、カソード側ガス流路入口７inと最も近い頂点又は最も近い辺、並びに、アノード側ガス流路入口８inと最も近い頂点又は最も近い辺をそれぞれ特定する。このとき、それぞれ特定した頂点同士又は辺同士が電解質膜を上から見た時（厚さ方向の形状を無視したとき）に重なり合わない、若しくは、特定された辺と頂点とが電解質膜を上から見た時に交わらないガス流路形態の場合、補強材を電解質膜の厚み方向においてカソード側ガス流路入口７inに近い位置に配設すると同時に、アノード側ガス流路入口８inに近い位置に配設することができるため、本発明（第一の燃料電池）による効果が得られる。
【００４５】
このとき、電解質膜の厚み方向において、特定された電解質膜の頂点及び／又は辺それぞれに補強材が近くなるように（電解質膜の厚み方向における中点よりも補強材が頂点側又は辺側の位置となるように）、補強材の平面を傾ければ、補強材をカソード側ガス流路入口７inに近い位置に配設し、且つ、アノード側ガス流路入口８inに近い位置に配設することができる。
【００４６】
同様に、まず、電解質膜の両面側に設けられる各ガス流路の出口（７out、８out）に注目し、次に、電解質膜を直方体とみなして、カソード側ガス流路出口７outと最も近い頂点又は最も近い辺、並びに、アノード側ガス流路出口８outと最も近い頂点又は最も近い辺をそれぞれ特定する。このとき、それぞれ特定した頂点同士又は辺同士が電解質膜を上から見た時に重なり合わない、若しくは、特定された辺と頂点とが電解質膜を上から見た時に交わらない場合、補強材を電解質膜の厚み方向においてカソード側ガス流路出口７outから離れた位置（中点よりもアノード側）に配設すると同時に、アノード側ガス流路出口８outから離れた位置（中点よりもカソード側）に配設することができるため、本発明（第二の燃料電池）による効果が得られる。
【００４７】
そして、電解質膜の厚み方向において、特定された電解質膜の頂点及び／又は辺それぞれから補強材が離れるように補強材の平面を傾ければ、補強材をカソード側ガス流路出口７outから離れた位置に配設し、且つ、アノード側ガス流路出口８outから離れた位置に配設することができる。
【００４８】
以下、図２〜図７を用いて、本発明の燃料電池における反応ガス流路形態と電解質膜内の補強材の配設形態について具体的に説明していく。
例えば、図２に示す実施形態では、電解質膜１を直方体としてみた場合に、カソード側ガス流路入口７inと最も近い頂点１ａ及びアノード側反応ガスの入口８inと最も近い頂点１ｂとが、それぞれ特定される。これら頂点１ａと１ｂは、電解質膜１を厚み方向を無視して上面から見た際に、重なり合わない。
【００４９】
また、電解質膜を厚み方向を無視して上から見たとき、長方形の平面形状を有する電解質膜の面方向における一隅に、アノード側ガス流路入口８inとカソード側ガス流路出口７outとが隣接するように配置されている。また、このアノード側ガス流路入口８in及びカソード側ガス流路出口７outが配置された一隅と対向する一隅に、アノード側ガス流路出口８outとカソード側ガス流路入口７inとが隣接するように配置されている。
そして、平坦な形状を有するシート状補強材９を、電解質膜１の頂点１ａと頂点１ｂとを結ぶ対角線と、シート状補強材９の勾配（シート状補強材の面方向における２つの角９ａ、９ｂを結ぶ対角線の傾斜）とが平行となるように電解質膜１内に補強材の平面を傾ければ、カソード側ガス流路の上流域では、電解質膜１の厚み方向での配設位置がアノードよりもカソードに近い位置とし、且つ、アノード側ガス流路の上流域では、電解質膜の厚み方向での配設位置がカソードよりもアノードに近い位置とすることができる。
【００５０】
本実施形態では、アノード側ガスの流通方向とカソード側ガスの流通方向とが略逆方向であるため、アノード側ガス流路８の上流域とカソード側ガス流路７の下流域、並びに、アノード側ガス流路８の下流域とカソード側ガス流路７の上流域が、それぞれほぼ重なっている。
そのため、アノード側ガス流路８の上流域で、シート状補強材９を電解質膜１の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設することによって、カソード側ガス流路７の下流域でのシート状補強材９の配設位置が、自動的に電解質膜１の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置となる。
【００５１】
同様に、カソード側ガス流路７の上流域で、シート状補強材９を電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設することによって、アノード側ガス流路８の下流域でのシート状補強材９の配設位置が、自動的に電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置となる。
【００５２】
また、図２においては、電解質膜を上面から見た時に、シート状補強材９の４つの角のうち、電解質膜１の頂点１ａ又は１ｂにそれぞれ近づけて配置された２つの角９ａ、９ｂ（当該シート状補強材の勾配を形成している２つの角）以外の２つ角９ｃ、９ｄは、電解質膜１の厚み方向における中点近傍に配置されている。
補強材シートの角９ｃ、９ｄが配設される位置は、アノード側ガス流路の中流域であってカソード側流路の中流域でもあるため、これらシート状補強材の角９ｃ、９ｄを、電解質膜の厚み方向における中点近傍に配設することで、電解質膜内の水分分布をより均一化させることができるよう、各反応ガス流路の上流域／下流域に対応した補強材の配設形態となっている。
【００５３】
以上のようにアノード側ガス流路の上流域とカソード側ガス流路の下流域、アノード側ガス流路の下流域とカソード側ガス流路の上流域が、それぞれ重なりあう場合、特に、図２のようにアノード側反応ガスの流通方向とカソード側反応ガスの流通方向とが略逆方向（略向流）の場合、アノード側及びカソード側の両方において、容易に、シート状補強材の配設位置を上流域及び下流域に適した形態とすることが可能である。
【００５４】
尚、ここで、アノード側反応ガスの流通方向とカソード側反応ガスの流通方向とが略逆方向（略向流）とは、各反応ガスのマニホールドの構造上、各反応ガスの入口、出口は重なりあうことがないため、厳密に各反応ガスの流通方向が互いに逆方向（向流）となることがないこと、また、厳密な逆方向（向流）でなくても本発明の目的とする効果は充分得られることから、逆方向（向流）とみなせる状態を意味する。
【００５５】
また、電解質膜の厚み方向におけるシート状補強材の配設位置は、燃料電池の構造や燃料電池内の水分分布状態等に応じて、具体的なアノード側又はカソード側表面からの位置を適宜決定すればよい。例えば、図２において、補強材９の２つの角９ａ、９ｂは、電解質膜の角１ａ、１ｂと重なるような位置に配設されているが、電解質膜の厚み方向の中点よりもカソード側又はアノード側に近い位置であれば、当位置に限定されず、燃料電池の水分分布状態等に応じて中点よりの位置としてもよい。また、その他の角９ｃ、９ｄの電解質厚み方向における具体的な位置も、９ｃ、９ｄに対応するガス流路の流域に応じて、電解質膜の厚み方向の中点よりもアノード側又はカソード側にずらした位置とすることもできる。
【００５６】
図３に示す実施形態は、それぞれのガス流路の途中経路が異なる以外は、図２に示す形態と同様である。すなわち、電解質膜１を直方体としてみた場合に、カソード側ガス流路入口７inと最も近い頂点１ａ及びアノード側反応ガスの入口８inと最も近い頂点１ｂとが、それぞれ特定される。これら頂点１ａと１ｂは、電解質膜１を厚み方向を無視して上面から見た際に、重なり合わない。
また、電解質膜を厚み方向を無視して上から見たとき、長方形の平面形状を有する電解質膜の面方向における一隅に、アノード側ガス流路入口８inとカソード側ガス流路出口７outとが隣接するように配置されている。また、このアノード側ガス流路入口８in及びカソード側ガス流路出口７outが配置された一隅と対向する一隅に、アノード側ガス流路出口８outとカソード側ガス流路入口７inとが隣接するように配置されており、アノード側ガスとカソード側ガスは逆方向に流れるようになっている。
【００５７】
そのため、シート状補強材９を、各反応ガス流路の入口７in、８inとそれぞれ最も近い２つの頂点１ａ、１ｂを結ぶ対角線と、シート状補強材の勾配（シート状補強材の面方向における２つの角９ａ、９ｂを結ぶ対角線の傾斜）とが平行となるように補強材の平面を傾けて配設することで、アノード側ガス流路の上流域であってカソード側流路の下流域では、シート状補強材９が電解質膜の厚み方向においてアノード側に配設され、アノード側ガス流路の下流域であってカソード側ガス流路の上流域では、シート状補強材９が電解質膜の厚み方向においてカソード側に配設される。
さらに、電解質膜を上面から見た時に、シート状補強材９の４つの角のうち、電解質膜１の頂点１ａ又は１ｂにそれぞれ近づけて配置された２つの角９ａ、９ｂ（当該シート状補強材の勾配を形成している２つの角）以外の２つ角９ｃ、９ｄは、それぞれ、電解質膜１の厚み方向における中点近傍に配置されている。
【００５８】
一方、図４に示す実施形態は、電解質膜の面方向の一辺の中央部付近に、当該一辺に沿って、カソード側ガス流路入口７inが配置されており、当該カソード側ガス流路７inに最も近い辺１Ａが特定される。また、このカソード側ガス流路入口７inが配置された一辺１Ａと対向する一辺１Ｂの中央部付近に、当該一辺１Ｂに沿って、アノード側ガス流路入口８inが配置されており、当該アノード側ガス流路入口８inに最も近い辺１Ｂが特定される。これら辺１Ａと１Ｂは、電解質膜１を厚み方向を無視して上面から見た際に、重なり合わない。
また、電解質膜を上面から見たとき、アノード側ガス流路入口８inと隣接するようにカソード側ガス流路出口７outが、カソード側ガス流路入口７inと隣接するようにアノード側ガス流路出口８outが配置されており、アノード側ガスとカソード側ガスは逆方向に流れるようになっている。
【００５９】
そして、平坦な形状を有するシート状補強材９を、電解質膜１の辺１Ａ及び辺１Ｂを含む面と当該シート状補強材（当該シート状補強材の勾配）が平行になるように補強材の平面を傾けて配設することによって、カソード側ガス流路の上流域では、電解質膜１の厚み方向での配設位置がアノードよりもカソードに近い位置とし、且つ、アノード側ガス流路の上流域では、電解質膜の厚み方向での配設位置がカソードよりもアノードに近い位置とすることができる。このとき、アノード側ガスとカソード側ガスが略向流であることから、補強材は自動的に、カソード側ガス流路の下流域ではアノード側に、アノード側ガス流路の下流域ではカソード側に配置される。
【００６０】
図５に示す実施形態は、電解質膜１を直方体としてみた場合に、カソード側ガス流路入口７inと最も近い頂点１ａ及びアノード側反応ガスの入口８inと最も近い頂点１ｂとが、それぞれ特定される。これら頂点１ａと１ｂは、電解質膜１を厚み方向を無視して上面から見た際に、重なり合わない。また、電解質膜を厚み方向を無視して上から見たとき、長方形の平面形状を有する電解質膜の面方向における一隅に、アノード側ガス流路入口８inとカソード側ガス流路出口７outとが隣接するように配置されている。また、このアノード側ガス流路入口８in及びカソード側ガス流路出口７outが配置された一隅と対向する一隅に、アノード側ガス流路出口８outとカソード側ガス流路入口７inとが隣接するように配置されており、アノード側ガスとカソード側ガスは逆方向に流れるようになっている。
【００６１】
そのため、シート状補強材９を、各反応ガス流路の入口７in、８inとそれぞれ最も近い２つの頂点１ａ、１ｂを結ぶ対角線と、シート状補強材の勾配とが平行となるように補強材の平面を傾けて配設することで、アノード側ガス流路の上流域であってカソード側流路の下流域では、シート状補強材９が電解質膜の厚み方向においてアノード側に配設され、アノード側ガス流路の下流域であってカソード側ガス流路の上流域では、シート状補強材９が電解質膜の厚み方向においてカソード側に配設される。
【００６２】
また、電解質膜を上面から見た時に、シート状補強材９の４つの角のうち、電解質膜１の頂点１ａ又は１ｂにそれぞれ近づけて配置された２つの角９ａ、９ｂ（当該シート状補強材の勾配を形成している２つの角）以外の２つ角９ｃ、９ｄは、それぞれ、アノード側ガス流路の上流側、カソード側ガス流路の下流側に位置していることから、それぞれ、電解質膜の厚み方向における位置が９ｂ、９ａと同程度となっている。尚、図５において、補強材の角９ｃ、９ｄは、燃料電池の水分分布状態によっては電解質膜の厚み方向における中点付近に位置するように配設されてもよい。
【００６３】
図６に本発明の他の実施形態を示す。図６の実施形態は、アノード側ガス流路８とカソード側ガス流路７とが直交する直交流であり、電解質膜１を上から見た場合、カソード側ガス流路の入口７in、出口７out及びアノード側ガス流路の入口８in、出口８outは、それぞれ異なる４つの辺の中央部付近に配置されている。ゆえに、カソード側ガス流路入口７inが最も近い辺１Ａとアノード側ガス流路入口８inが最も近い辺１Ｂとを特定することができる。
【００６４】
このとき、電解質膜を上から見ると、辺１Ａと辺１Ｂとは交差しており、辺１Ａと１Ｂが交差する当位置は、カソード側ガス流路上流域であると同時に、アノード側ガス流路上流域でもある。
ゆえに、カソード側ガス流路入口７inが最も近い辺１Ａの一端であり、カソード側ガス流路入口７inに近く、且つ、アノード側ガス流路８outから遠い頂点１ａ側において、カソード側ガス流路の上流域（アノード側ガス流路の下流域でもある）を優先させる。すなわち、電解質膜の厚み方向において補強材９がカソード側に最も近い位置となるように、電解質膜の頂点１ａにシート状補強材９の角９ａを合わせるように配置されている。
【００６５】
同様に、アノード側ガス流路入口８inが最も近い辺１Ｂの一端であり、アノード側ガス流路入口８inに近く、且つ、カソード側ガス流路７outから遠い頂点１ｂ側において、アノード側ガス流路の上流域（カソード側ガス流路の下流域でもある）を優先させる。すなわち、電解質膜の厚み方向において補強材９がアノード側に最も近い位置となるように、電解質膜の頂点１ｂにシート状補強材９の角９ｂを合わせるように配置されている。
【００６６】
このとき、平坦な形状を有するシート状補強材９は、電解質膜１の頂点１ａ及び頂点１ｂを結ぶ対角線と、当該シート状補強材の勾配とが平行となるように、補強材の平面を傾けて電解質膜内に配設されている。
【００６７】
そして、カソード側ガス流路上流域であると同時に、アノード側ガス流路上流域でもある、辺１Ａと辺１Ｂが交差する位置では、補強材の角９ｃは電解質膜の厚み方向における中点付近に配設させている。同様に、電解質膜を上から見た時に、カソード側ガス流路出口７outと最も近い辺１Ｃとアノード側ガス流路出口８outと最も近い辺１Ｄとが交差する位置は、カソード側ガス流路下流域であると同時に、アノード側ガス流路下流域でもあるため、当該位置に配置される補強材の角９ｄは、電解質膜の厚み方向における中点付近に配設されている。
【００６８】
以上のように、アノード側反応ガスとカソード側反応ガスとが直交流の場合でも、補強材を各反応ガスの上流域及び下流域の水分管理に適した配設形態とすることが可能であり、その結果、電解質膜内の水分分布状態を燃料電池の運転に適した状態にすることができる。
【００６９】
さらに、図７に本発明の他の実施形態を示す。図７において、電解質膜１を直方体としてみた場合に、カソード側ガス流路入口７inと最も近い頂点１ａ及びアノード側反応ガスの入口８inと最も近い頂点１ｂとが、それぞれ特定される。これら頂点１ａと１ｂは、電解質膜１を厚み方向を無視して上面から見た際に、重なり合わない。また、カソード側ガス流路出口７outと最も近い頂点１ｃ及びアノード側反応ガス出口８outと最も近い頂点１ｄとが、それぞれ特定される。これら頂点１ｃと１ｄは、電解質膜１を厚み方向を無視して上面から見た際に重なり合わない。また、頂点１ａ〜１ｄのいずれも、電解質膜を厚み方向を無視して上から見たとき重なり合わない。
【００７０】
そこで、シート状補強材９を、各反応ガス流路の入口７in、８inとそれぞれ最も近い２つの頂点１ａ、１ｂを結ぶ直線と、シート状補強材の勾配とが平行となるように、補強材の平面を傾けて配設することで、シート状補強材９はカソード側ガス流路入口７in近傍の上流域では、電解質膜の厚み方向においてカソード側に配設され、アノード側ガス流路入口８in近傍の上流域では、電解質膜の厚み方向においてアノード側に配設される。
このとき、電解質膜の厚み方向において、補強材９は、各反応ガス流路の出口７out、８outとそれぞれ最も近い２つの頂点１ｃ、１ｄから離れて位置しており、カソード側ガス流路出口７out近傍の下流域では、電解質膜の厚み方向においてアノード側に配設され、アノード側ガス流路出口８out近傍の下流域では、電解質膜の厚み方向においてカソード側に配設されている。
【００７１】
尚、本実施形態においては、電解質膜を厚み方向を無視して上から見た際に、カソード側ガス流路入口７inとアノード側ガス流路入口８inとが、電解質膜の短辺を挟んで対向するように（短辺の両端に）配置しており、比較的互いに近い位置関係となっているため、本発明による電解質膜の乾燥防止効果は、各反応ガスの入口直近の限られた範囲でのみ得られる。同様に、カソード側ガス流路出口７outとアノード側ガス流路出口８outとが、電解質膜の短辺を挟んで対向するように（端辺の両端に）配置しており、比較的互いに近い位置関係となっているため、本発明によるフラッディング防止効果は、各反応ガスの出口直近の限られた範囲でのみ得られる。
【００７２】
本発明により得られる効果の高低は、各反応ガスの流路形態によって異なってくる。本発明の第一又は第二の燃料電池によって、高い効果を奏する反応ガス流路形態かどうかの判断は、例えば、下記（１）又は（２）のガス流路形態に該当するかどうかで判断できる。
【００７３】
（１）一方のガス流路の入口（出口）が最も近い電解質膜の角を電解質膜の平面方向において挟みこむ２辺と、他方のガス流路の入口（出口）が最も近い電解質膜の角を電解質膜の平面方向において挟みこむ２辺とが全く重なり合わない（各辺の延長線が交差してもよい）ガス流路形態、或いは、一方の反応ガスの入口（出口）が最も近い電解質膜の辺と、他方の反応ガスの入口（出口）が最も近い電解質膜の角を挟む２辺とが、全く重なり合わない（各辺の延長線が交差してもよい）ガス流路形態。（２）電解質膜の厚み方向を無視した平面形状が長手方向と短手方向とを有する扁平な形状の場合、長手方向における各反応ガスの流れ（それぞれの反応ガス流路の入口と出口を直線で結んだときの当該直線の入口から出口への向き）が略向流であるガス流路形態。
上記（１）又は（２）のガス流路形態に該当するものは、通常、本発明により得られる効果が高いと判断することができる。
【００７４】
具体的には、図２、図３、図５に示す形態では、各反応ガス流路入口が対角状に対向する角に配置されているため、各反応ガス流路入口に最も近い電解質膜の角を挟む２辺同士は、互いに重なり合わない（図８参照。短点線同士が重ならない）。つまり、上記（１）の反応ガス流路に該当する。各反応ガス流路出口も同様（図８参照。長点線同士が重ならない）であり、（１）の反応ガス流路に該当する。また、（２）の反応ガス流路形態にも該当する。
【００７５】
図４に示す形態では、各反応ガス流路入口同士が対向する辺に沿ってそれぞれ配置されており、これらの辺同士が重なり合わない。つまり上記（１）の反応ガス流路に該当する。反応ガス流路出口も同様である。また、（２）の反応ガス流路形態にも該当する。
図６に示す形態では、各反応ガス流路入口同士が隣接する辺に沿ってそれぞれ配置されており、これらの辺同士が重なり合わない。つまり上記（１）の反応ガス流路に該当する。反応ガス流路出口側も同様である。
【００７６】
一方、図７に示す形態では、カソード側ガス流路入口に最も近い辺とアノード側ガス流路入口に最も近い辺が重なり合い、反応ガス流路上流側において（１）の反応ガス流路に該当しない。同様に、カソード側ガス流路出口に最も近い辺とアノード側ガス流路出口に最も近い辺とが重なり合い、反応ガス流路下流側において（１）に該当しない。また、（２）の反応ガス流路にも該当しない。すなわち、図７に示す形態では、本発明による効果は得られるものの、その効果は比較的小さい。図７の形態は、ガス流路入口直近のごく限られた領域とガス流路出口直近のごく限られた領域において、効果が得られる旨は記述したとおりである。
【００７７】
尚、各反応ガス流路の入口、出口は、マニホールドの構造上、電解質膜の面方向における位置が重なり合うことがないため、厳密には、各反応ガス流路の上流域と下流域、又は上流域同士又は下流域同士が完全に重なりあうことはない。
【００７８】
また、反応ガス流路の形態は、説明してきた図２〜図７に示す実施形態に限定されるものではない。また、電解質膜や補強材の平面形状（厚み方向を無視した形状）も、ここにて例示したもの（長方形）に限定されず、例えば、図９に示すような形状でもよい。このように、直方体や長方形とは異なる形状の電解質膜や補強材を用いる場合、補強材の配設形態を決定する際に、上記にて電解質膜や補強材を長方形や直方体としてみなして説明した箇所は、電解質膜や補強材に外接する直方体や外接する長方形を電解質膜や補強材の立体的形状又は平面形状とみなせばよい。
さらに、シート状補強材は、平坦な面を持つ形状に限定されず、各流路域（上流域・下流域）に適した配設位置を実現するために、凹凸形状を付与したものであってもよい。
【００７９】
以下、本発明の燃料電池を構成する各部材及び燃料電池の製造方法について説明する。
電解質膜は、多孔質のシート状補強材を電解質樹脂で挟み込んだサンドイッチ構造を有する。
シート状補強材の空孔率（補強材の空孔体積／補強材の全体積×１００）は、特に限定されるものではないが、シート状補強材による電解質膜の補強効果、当該シート状補強材９内におけるイオン伝導性、水分透過性等の観点から、通常、４０〜９５％程度であることが好ましい。補強材の空孔率が４０％より小さいと、空孔内に十分な電解質樹脂を充填することができずに、電解質膜が電解質膜として要求されるイオン伝導性を発現できないおそれがある。また、補強材を挟んだ電解質膜内のカソード側とアノード側間の水の移動が妨げられてしまう。一方、補強材の空孔率が９５％より大きいと、補強材による電解質膜の補強効果が低く、充分な機械的強度を有する電解質膜が得られないおそれがある。
【００８０】
また、補強材の空孔径は、０．１〜１００μｍ程度であることが好ましい。空孔径が０．１μｍより小さいとイオン伝導性を付与する電解質との複合化が困難となるおそれがある。一方、空孔径が１００μｍよりも大きいと、補強材による機械的な補強の効果が得られないおそれがあるからである。シート状補強材の多孔構造は特に限定されず、例えば、織布や不織布の他、空孔を有する多孔質体を用いることができる。
【００８１】
補強材はその空孔内に電解質樹脂を充填でき、電解質膜の機械的強度を高めることができる多孔質体であれば、その材質は特に限定されない。例えば、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、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリベンズオキサゾール等が挙げられる。中でも、空孔率、空孔径の設計容易性の観点から、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンが好ましく用いられる。
補強材の厚さは、電解質膜全体の膜厚や電解質樹脂の材質等によるが、通常、５〜１５μｍ程度とすることが好ましい。
【００８２】
電解質膜を構成する電解質樹脂は、特に限定されず、一般的に固体高分子型燃料電池用電解質膜に用いられている電解質樹脂を用いることができる。具体的には、例えば、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等のフッ素系電解質樹脂や、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、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリホスファゼン、ポリパラフェニレン等の炭化水素系電解質樹脂等が挙げられる。
【００８３】
上記のようなシート状補強材を電解質樹脂で挟み込んだ電解質膜の形成方法は特に限定されない。例えば、図１１に示すように、まず、（１）シート状補強材の一方の面の１／２をシール材によりシールし（図１１Ａ参照）、（２）当該シールしたシート状補強材の表面に電解質溶液をキャストし（図１１Ｂ参照）、（３）シール材をはがす（図１１Ｃ参照）。その後、（４）シート状補強材表面に形成された電解質層の膜厚（凹凸度）を、デックタック等により測定し、所望の膜厚を有する電解質層が形成されたかを確認する。次に、シート状補強材の他方の面においても、上記（１）〜（４）の工程を実施する。このとき、上記一方の面において、電解質層を形成した面と対向する面をシール材によりシールする（図１１Ｄ〜１１Ｆ参照）。以上のようにしてシート状補強材の両面の一部に電解質層を形成したものを、プレス台の上に置き、電解質のガラス転移点にて１００ｋｇ／ｃｍ２に１０分間ホットプレスする（図１１Ｇ）。
尚、上記にて例示したシート状補強材の形成方法において、補強材表面の電解質層を形成する領域を１／２より細分化し、各領域に形成する電解質層の膜厚を調整することによって、シート状補強材の電解質膜の厚み方向における配設位置をより正確に制御することも可能である。
【００８４】
このとき、補強材と電解質樹脂との親和性を高め、補強材の空孔内への電解質溶液の浸透性を向上させたり、補強材と電解質との接着性を高めるため、必要に応じて補強材に表面処理を施すことが好ましい。補強材に施す表面処理としては、例えば、放射線処理、放電処理、薬品処理、グラフト重合処理、コロナ放電処理等が挙げられる。
【００８５】
シート状補強材を電解質樹脂で挟み込んだ電解質膜の膜厚は、１０〜１００μｍ程度と薄くしても、補強材による補強効果で機械的強度を保持することが可能である。好ましくは、２０〜５０μｍ程度とする。
【００８６】
以上のようにして得られた電解質膜は、図１に示すように、その両面に一対の電極２，３を接合した膜・電極接合体とし、さらにセパレーターによって挟持されて固体高分子型燃料電池に組み込まれる。電極２，３は、通常、電解質膜１側から順に触媒層とガス拡散層が積層した構造を有している。ここでは、このように触媒層とガス拡散層が積層した電極を備えた膜・電極接合体を例に、本発明の固体高分子型燃料電池を説明する。
【００８７】
ガス拡散層は、ガスの拡散に必要な細孔（空隙）、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるガス拡散層シートを用いて形成することができる。導電性多孔質体の厚さは、１０〜５００μｍ程度であることが好ましい。
【００８８】
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜１内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
【００８９】
撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層ペーストを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び／又は焼成すればよい。
このとき撥水層ペーストは、導電性多孔質体の内部に含浸してもよい。また、撥水層の形状は特に限定されず、例えば、導電性多孔質層の触媒層側の面全体を覆うような形状でもよいし、格子状等の所定パターンを有する形状でもよい。撥水層ペーストを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。
【００９０】
触媒層には、通常、イオン伝導性材料、触媒材料が含有される。触媒材料としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。触媒成分としては、燃料極における水素の酸化反応、酸化剤極における酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、又は、ルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン等の金属と白金との合金等が挙げられる。
【００９１】
イオン伝導性材料としては、電解質膜においてとして用いられる電解質樹脂の中から、適宜選択することができ、具体的には、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に代表されるフッ素系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炭化水素系樹脂等の固体高分子電解質が挙げられる。
触媒層は、上記イオン伝導性材料及び触媒材料、さらに必要に応じて撥水性高分子や結着剤等その他の材料を溶媒に混合・分散させて得られる触媒層ペーストを用いて形成することができる。触媒層ペーストの溶媒としては、エタノール、メタノール、プロパノール、プロピレングリコール等のアルコール類と水の混合物等を用いることができるが、これらに限定されない。触媒層の膜厚は、特に限定されないが、５〜３００μｍ程度とすればよい。
【００９２】
電解質膜１の両面に電極２，３を接合する方法は特に限定されず、一般的な方法を採用することができる。例えば、まず、電解質膜１の両面に触媒層ペーストを塗布、乾燥することによって、電解質膜１の表面に触媒層を形成し、次に、ガス拡散層シートを触媒層上に接合する方法がある。或いは、予めガス拡散層シートの触媒層側の面に、触媒層ペーストを塗布・乾燥して触媒層を形成したものを、触媒層が電解質膜とガス拡散層に挟まれるように、電解質膜と接合する方法がある。或いは、触媒層ペーストを、ポリテトラフルオロエチレン等の基材上に塗布、乾燥させた触媒層シートを電解質膜又はガス拡散層シートと接合し、基材を剥離後、触媒層が電解質膜とガス拡散層に挟まれるように、ガス拡散層シート又は電解質膜と接合する方法がある。
【００９３】
上記方法において、電解質膜、ガス拡散層シート、基材の表面に触媒ペーストを塗布する方法は特に限定されず、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。また、電解質膜、各層間の接合は、例えば、ホットプレス等によって行うことができる。
【００９４】
このように電解質膜を一対の電極２，３で接合した膜・電極接合体４は、さらにその外側を炭素材料や金属等からなるセパレータで挟持され単セルを形成する。図２や図４のようにガス流路入口からガス流路出口へのガス流路が直線状のものは、金属板をプレス等により加工して作製することができる。具体的には、図１０のようなものが挙げられる。
尚、本発明の燃料電池は、図１に示す形態に限定されず、例えば、燃料電池の機能向上を目的として、上記以外の層を設けてもよい。
【実施例】
【００９５】
（実施例）
空孔率８０％のポリエチレン多孔質シートと電解質樹脂（パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、商品名：Ｎａｆｉｏｎ）溶液とを用いて、図３に示すようにシート状補強材を傾斜した状態でその内部に備える電解質膜（膜厚２５μｍ）を作製した（図１１参照）。
【００９６】
一方、白金担持カーボンと電解質樹脂（パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、商品名：Ｎａｆｉｏｎ）とを、カーボン：電解質樹脂＝１：１（重量比）となるように混合して触媒インクを調製した。
上記にて作製した電解質膜の両面に触媒インクをスプレー塗布、乾燥し、電解質膜の表面に触媒層を形成した。このとき、アノード側触媒層の白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２、カソード側触媒層の白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ２となるように、触媒インクを塗布した。この触媒層を形成した電解質膜を、２枚のカーボンペーパーで挟み込み、熱圧着して膜・電極接合体を作製した。
さらに、得られた膜・電極接合体を、図３に示すようなサーペンタイン型のガス流路を備えたカーボンセパーレータで挟みこみ、単セルを作製した。
【００９７】
（比較例）
電解質膜として、シート状補強材を備えていないパーフルオロカーボンスルホン酸樹膜（商品名：Ｎａｆｉｏｎ）を用いた以外は、実施例と同様にして単セルを作製した。
【００９８】
（発電性能評価実験）
上記にて得られた実施例及び比較例の単セルについて、以下に示す条件下、発電性能評価試験を行った。結果を図１２に示す。
＜評価試験条件＞
・セル温度：８０℃
・加湿温度：アノード  ８０℃
カソード  ８０℃
・燃料：水素ガス
・酸化剤：空気
【００９９】
図３のように、アノード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向とカソード側ガス流路を流れる反応ガスの流通方向とが略逆方向（略向流）である単セルにおいて、シート状補強材を、アノード側ガス流路の上流域であってカソード側ガス流路の下流域では、電解質膜の厚み方向においてカソードよりもアノードに近い位置に配設し、カソード側ガス流路の上流域であってアノード側ガス流路の下流域では、電解質膜の厚み方向においてアノードよりもカソードに近い位置に配設した電解質膜を備える実施例の単セルは、図１２に示すように、補強材を用いていない電解質膜を備える比較例の単セルと比べて、高電流領域での電圧低下が抑制されていた。これは、実施例の単セルにおいて高電流領域におけるフラッディングが防止されていたためである。すなわち、本発明の燃料電池によれば、電解質膜内における水分移動の障害となる補強材を備えるにもかかわらず、補強材を備えていない電解質膜よりも、フラッディング等の膜・電極接合体における水分分布の不均一な状態を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池における単セルの一形態例を示す断面図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池におけるカソード側ガス流路及びアノード側ガス流路の形態と、電解質膜内に備えられた補強材の配設形態との関係を説明する図であって、（２Ａ）は電解質膜とカソード側セパレータ及びアノード側セパレータの分解透視図、（２Ｂ）は、カソード側ガス流路及びアノード側ガス流路を上面（紙面上側）から見た図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池におけるカソード側ガス流路及びアノード側ガス流路の形態と、電解質膜内に備えられた補強材の配設形態との関係を説明する図であって、（３Ａ）は電解質膜とカソード側セパレータ及びアノード側セパレータの分解透視図、（３Ｂ）は、カソード側ガス流路及びアノード側ガス流路を上面（紙面上側）から見た図である。
【図４】本発明を適用した燃料電池におけるカソード側ガス流路及びアノード側ガス流路の形態と、電解質膜内に備えられた補強材の配設形態との関係を説明する図であって、（４Ａ）は電解質膜とカソード側セパレータ及びアノード側セパレータの分解透視図、（４Ｂ）は、カソード側ガス流路及びアノード側ガス流路を上面（紙面上側）から見た図である。
【図５】本発明を適用した燃料電池におけるカソード側ガス流路及びアノード側ガス流路の形態と、電解質膜内に備えられた補強材の配設形態との関係を説明する図であって、（５Ａ）は電解質膜とカソード側セパレータ及びアノード側セパレータの分解透視図、（５Ｂ）は、カソード側ガス流路及びアノード側ガス流路を上面（紙面上側）から見た図である。
【図６】本発明を適用した燃料電池におけるカソード側ガス流路及びアノード側ガス流路の形態と、電解質膜内に備えられた補強材の配設形態との関係を説明する図であって、（６Ａ）は電解質膜とカソード側セパレータ及びアノード側セパレータの分解透視図、（６Ｂ）は、カソード側ガス流路及びアノード側ガス流路を上面（紙面上側）から見た図である。
【図７】本発明を適用した燃料電池におけるカソード側ガス流路及びアノード側ガス流路の形態と、電解質膜内に備えられた補強材の配設形態との関係を説明する図であって、（７Ａ）は電解質膜とカソード側セパレータ及びアノード側セパレータの分解透視図、（７Ｂ）は、カソード側ガス流路及びアノード側ガス流路を上面（紙面上側）から見た図である。
【図８】ガス流路形態による本発明の効果を説明するための図である。
【図９】電解質膜及び／又は補強材の平面形状の一形態例を示す図である。
【図１０】反応ガス流路を画成するセパレータの一形態例を示す図である。
【図１１】本発明における電解質膜の製造例を示す模式図である。
【図１２】実施例における発電性能評価結果を示すグラフである。
【図１３】従来の補強材複合化電解質膜を示す図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１…固体高分子電解質膜
２…カソード
３…アノード
４…膜・電極接合体
５…カソード側セパレータ
６…アノード側セパレータ
７…カソード側ガス流路（７in：カソード側ガス流路入口、７out：カソード側ガス流路出口）
８…アノード側ガス流路（８in：アノード側ガス流路入口、８out：アノード側ガス流路出口）
９…多孔質のシート状補強材
１０…電解質樹脂
１００…単セル
【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】
2007273191.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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