(57)【要約】【課題】プロトン伝導性を高めた上で電解質膜の耐久性の向上を図る。【解決手段】単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備えた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を、ガス拡散層２３、２４とガスセパレーター２５、２６で挟持する。両セパレーターは、セル内燃料ガス流路４７或いはセル内酸化ガス流路４８を、溝幅Ｌで電解質膜２０に向かい合わせる。電解質膜２０は、膨潤に伴って膜内に発生する膨潤圧と、膨潤に伴う膜変形により電解質膜２０が溝幅Ｌのガス流路に入り込むよう座屈する際の電解質膜の座屈荷重との関係において、膨潤圧が座屈荷重より小さい性状を有する。【選択図】図１
2012119169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両膜面にアノードとカソードの両電極を接合した膜電極接合体をガス拡散層で挟持した上で、前記ガス拡散層に対してのガスの給排に関与するガス流路を有するガス流路部材で前記膜電極接合体と前記ガス拡散層とを挟持した燃料電池であって、
前記電解質膜は、膨潤に伴って膜内に発生する膨潤圧と、膨潤に伴う前記電解質膜の変形により該変形した電解質膜が前記ガス流路に入り込むよう座屈する際に前記電解質膜に掛かる座屈荷重との関係において、前記膨潤圧が前記座屈荷重より小さい性状を有する
燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
更に、電解質膜周縁において前記電解質膜を被覆する保護フィルムと、該保護フィルムを介在させて前記膜電極接合体の周縁をシールするシール部材とを備え、該シール部材を前記ガス拡散層と共に前記ガス流路部材で挟持し、
前記電解質膜は、膨潤を起こす湿潤状況での膜の弾性率が前記保護フィルムの弾性率より大きく、且つ、膨潤に伴う前記膨潤圧が前記保護フィルムの座屈荷重より小さい性状を有する
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両膜面にアノードとカソードの両電極を接合した膜電極接合体をガス拡散層および流路部材で挟持した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料とその酸化剤、例えば、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。こうした燃料電池では、プロトン伝導性を有する電解質膜（例えば、固体高分子膜）の両膜面にアノードとカソードの両電極を形成し、この両電極に、ガス拡散層を経て燃料ガスと酸化ガス、例えば水素ガスと空気を供給する。
【０００３】
燃料電池の発電は、電解質膜を介した電気化学反応の進行状況によって左右され、電解質膜のプロトン伝導性は、膜が適宜な湿潤状態にあるときに好適となる。このため、電解質膜の乾燥をできるだけ防ぐよう乾燥時には加湿したガス供給を行う等の対処が通常なされているが、こうした状況下にあっても、電解質膜は乾燥と湿潤を繰り返す。電解質膜の乾燥と湿潤は、膜の収縮と膨張を招くことから、電解質膜にシワや折れ等が起きやすくなる。こうしたシワや折れ等は、電解質膜の破損によるクロスリークの原因となり得る。よって、電解質膜の耐久性の向上を図るため、種々の提案がなされている（例えば、下記特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６５０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献で提案された技術では、膜の乾湿の推移の際に生じる電解質膜の面方向の寸法変化を乾燥状態における電解質膜の面方向の最大弾性変形量より小さくすることで、シワや折れの形成を抑制してクロスリークに対する耐久性を高めている。ところで、電解質膜の乾湿の繰り返しについての対処が可能とはいえ、燃料電池の使用環境や運転状態は多岐に亘るため、例えば、燃料電池運転が低加湿の電解質膜にてなされることも少なくない。電解質膜が低加湿であるとプロトン伝導性が低下するので、その対処としては、電解質膜のイオン交換容量を大きくして低加湿時のプロトン伝導性を高めることが有効である。しかしながら、イオン交換容量を大きくすると、電解質膜の膨潤率が概ね大きくなって膨潤に伴う膜の変形も大きくなることから、膜の乾湿の繰り返し以外の要因で電解質膜にシワや折れ等が起きやすくなることが危惧される。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、プロトン伝導性を高めた上で電解質膜の耐久性の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池]
電解質膜の両膜面にアノードとカソードの両電極を接合した膜電極接合体をガス拡散層で挟持した上で、前記ガス拡散層に対してのガスの給排に関与するガス流路を有するガス流路部材で前記膜電極接合体と前記ガス拡散層とを挟持した燃料電池であって、
前記電解質膜は、膨潤に伴って膜内に発生する膨潤圧と、膨潤に伴う前記電解質膜の変形により該変形した電解質膜が前記ガス流路に入り込むよう座屈する際に前記電解質膜に掛かる座屈荷重との関係において、前記膨潤圧が前記座屈荷重より小さい性状を有する
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を備える燃料電池において、電解質膜では膨潤に伴ってその膜内において膨潤圧が発生すると共に、膨潤に伴った変形を起こす。電解質膜は、その両膜面に両電極を接合した膜電極接合体として、ガス拡散層およびガス流路部材で挟持されて拘束されるものの、ガス流路部材のガス流路と向き合う箇所ではその拘束が緩む。よって、膨潤に伴う変形により、電解質膜がガス流路に入り込むよう座屈する余地があり、その座屈箇所には膨潤圧が作用する。
【００１０】
上記構成を備える燃料電池では、電解質膜の膨潤圧と座屈荷重との関係において、膨潤圧が座屈荷重より小さい性状を有するので、膨潤圧は座屈荷重を超えないことになる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、ガス流路と向き合った座屈箇所において、電解質膜には座屈荷重を超える膨潤圧が作用しないので、電解質膜のシワや折れに起因する損傷を抑制でき、耐久性の向上を図ることができる。しかも、膨潤圧は、電解質膜のイオン交換容量（ＩＥＣ）の増大により大きくなる関係にあることから、座屈荷重を超えない膨潤圧となる範囲でイオン交換容量を高めて、プロトン伝導性の向上をも図ることができる。この際のイオン交換容量は、電解質膜の加湿状態を問わず低加湿の際であっても高めることが可能であるので、上記構成の燃料電池によれば、低加湿状況下での発電能力の維持もしくは向上も図ることができる。
【００１１】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、電解質膜周縁において前記電解質膜を被覆する保護フィルムと、該保護フィルムを介在させて前記膜電極接合体の周縁をシールするシール部材とを備えた上で、該シール部材を前記ガス拡散層と共に前記ガス流路部材で挟持する。こうして周縁でのシールを図った上で、前記電解質膜については、これを、膨潤を起こす湿潤状況での膜の弾性率が前記保護フィルムの弾性率より大きく、且つ、膨潤に伴う前記膨潤圧が前記保護フィルムの座屈荷重より小さい性状を有するものとすることができる。こうすれば、次の利点がある。
【００１２】
まず、保護フィルムで膜電極接合体の周縁をシールする際に起き得る状況について、先に説明する。保護フィルムによる被覆箇所（以下、フィルム被覆箇所）において、電解質膜は、保護フィルムによる拘束を受け、フィルム被覆箇所から電極側に離れるとその拘束が緩む。よって、電極側のフィルム被覆箇所近傍では、電解質膜は、膨潤に伴う変形の影響を受けやすい。そして、電解質膜のイオン交換容量を大きくすると、既述したように膨潤に伴う膜の変形も大きくなることから、電極側のフィルム被覆箇所近傍で、電解質膜にシワや折れ等が起きやすくなることが危惧される。上記の態様の燃料電池では、こうした観点に立って、電解質膜を、膨潤を起こす湿潤状況での膜の弾性率が前記保護フィルムの弾性率より大きく、且つ、膨潤に伴う前記膨潤圧が前記保護フィルムの座屈荷重より小さい性状を有するものとした。
【００１３】
この態様の燃料電池では、電解質膜とこれを挟持する保護フィルムについて、膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜の弾性率の方が保護フィルムの弾性率より大きくした。よって、電解質膜は、保護フィルムによるフィルム被覆箇所では拘束を受け、フィルム被覆箇所から電極側に離れるとその拘束が緩むものの、フィルム被覆箇所近傍での膨潤に伴う電解質膜の変形は、保護フィルムが膜変形に伴って変形可能なことから、保護フィルムにより強く規制されないように起きる。しかも、上記の態様の燃料電池では、膨潤に伴って電解質膜膜内に発生する膨潤圧が保護フィルムの座屈荷重より小さいので、電解質膜の膨潤圧は保護フィルムの座屈荷重を超えないことになる。これらの結果、上記態様の燃料電池によれば、保護フィルムによるフィルム被覆箇所において、保護フィルムにはその座屈荷重を超える膨潤圧が作用しないので、当該保護フィルムとこれに挟持された電解質膜にあっては、シワや折れに起因する損傷を抑制でき、耐久性の向上を図ることができる。
【００１４】
これに加え、電解質膜の膨潤圧は、電解質膜のイオン交換容量（ＩＥＣ）の増大により大きくなる関係にあることから、保護フィルムの座屈荷重を超えない膨潤圧となる範囲でイオン交換容量を高めて、プロトン伝導性の向上をも図ることができる。この際のイオン交換容量は、電解質膜の加湿状態を問わず低加湿の際であっても高めることが可能であるので、上記態様の燃料電池によれば、低加湿状況下での発電能力の維持もしくは向上も図ることができる。そして、この態様は、電解質膜の膨潤圧をその電解質膜自体の座屈荷重より小さい性状を有する上記構成の適用１の燃料電池の一態様であることから、上記構成の適用１の燃料電池の上記効果をより高めることができることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。
【図２】膨潤率Ｖmを変数ｘとした場合の関数ｙ（＝｛−ｌｎ（Ｅｍ／ＩＥＣ・ρ）｝）を表したグラフである。
【図３】単セル１５が有するＭＥＡを平面視して電極領域と周縁領域の区別を示す説明図である。
【図４】変形例の前提となる電解質膜２０の周縁における各部材の構成を断面視して概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１０は、図１に示す構成の単セル１５を複数積層したスタック構造の固体高分子型燃料電池である。
【００１７】
単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。このアノード２１とカソード２２は、電解質膜２０の両膜面に形成され電解質膜２０と共に膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、単セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とガスセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。
【００１８】
電解質膜２０は、固体高分子材料（電解質樹脂）により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、そのイオン交換容量（ＩＥＣ）に基づいたプロトン伝導性を発揮する。本実施例では、この電解質膜２０を、フッ素系高分子電解質樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜（以下、便宜上、フッ素系イオン交換膜と称する）、或いは、炭化水素系高分子電解質樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜（以下、便宜上、炭化水素系イオン交換膜と称する）のいずれかとした。この場合、フッ素系イオン交換膜は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される主鎖および側鎖の水素が全てフッ素で置換されたフッ素系高分子電解質樹脂により形成されたイオン交換膜である。炭化水素系イオン交換膜は、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、水酸基等のイオン交換基を有した上で、炭素と水素からなる高分子の主鎖を有する炭化水素系高分子電解質樹脂により形成されたイオン交換膜であり、部分的にフッ素置換されているものや、フッ素以外の異種原子を含んでいるものが含まれる。
【００１９】
アノード２１およびカソード２２は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成される。
【００２０】
ガスセパレーター２５は、アノード側ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。ガスセパレーター２６は、カソード側ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。これら両セパレーターにおける上記の両ガス流路は、図１に示すように溝幅Ｌで電極面において形成され、それぞれの上記ガス拡散層に対してのガスの給排に関与する。なお、図には記載していないが、隣り合う単セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。これらガスセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
【００２１】
図１では図示していないが、ガスセパレーター２５，２６の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター２５，２６が他の部材と共に積層されて燃料電池１０が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１０内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
【００２２】
本実施例の燃料電池１０は、ガスセパレーター２５のセル内燃料ガス流路４７からの水素ガスを、アノード側ガス拡散層２３で拡散ししつつアノード２１に供給する。空気については、ガスセパレーター２６のセル内酸化ガス流路４８からの空気を、カソード側ガス拡散層２４で拡散ししつつカソード２２に供給する。
【００２３】
次に、本実施例の燃料電池１０において用いた電解質膜２０と、ガス給排に関与するセル内燃料ガス流路４７およびセル内酸化ガス流路４８との関係について説明する。本実施例では、膨潤に伴って電解質膜２０の膜内に発生する膨潤圧と、膨潤に伴って変形した電解質膜２０が溝幅Ｌのセル内燃料ガス流路４７或いはセル内酸化ガス流路４８に入り込んで座屈する際に電解質膜２０に掛かる座屈荷重とについて、次の数式１の関係を満たすようにした。
【００２４】
【数１】
2012119169.tif 000003
【００２５】
この数式１において、左辺は電解質膜２０についての上記の膨潤圧を示し、この膨潤圧は、膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜２０の弾性率Ｅm [ＭＰａ]と、膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜２０の膨潤率Ｖm[％]と、電解質膜２０の膜厚ｄm[ｍ]から算出される。右辺は、電解質膜２０についての上記した座屈荷重を示し、この座屈荷重は、電解質膜２０の弾性率Ｅm [ＭＰａ]と膜厚ｄm[ｍ]、およびセル内燃料ガス流路４７とセル内酸化ガス流路４８の溝幅Ｌ [ｍ]から算出される。
【００２６】
この数式１を整理すると、左辺を膨潤率Ｖmとする数式２となる。
【００２７】
【数２】
2012119169.tif 000004
【００２８】
この数式２における左辺の膨潤率Ｖmは、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣ[ｍｅｑ／ｇ]と、電解質膜２０の弾性率Ｅm [ＭＰａ]、および電解質膜２０の膜乾燥密度ρ[ｇ／ｃｍ3]との関係において、経験的に次の数式３で表すことができる。
【００２９】
【数３】
2012119169.tif 000005
【００３０】
この数式３において、文字ＡおよびＢは、実験的に或いは経験的に定まる定数である。この数式３は、｛−ｌｎ（Ｅm／ＩＥＣ・ρ）｝をｙとすると、膨潤率Ｖmを変数ｘとする１次関数となる。図２は膨潤率Ｖmを変数ｘとした場合の関数ｙ（＝｛−ｌｎ（Ｅm／ＩＥＣ・ρ）｝）を表したグラフである。この図２は、数式３の関係は電解質膜２０がフッ素系イオン交換膜であっても炭化水素系イオン交換膜であっても成立することを示している。また、数式３は、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣが大きくなると、電解質膜２０の膨潤率Ｖmも大きくなることを示しているので、イオン交換容量ＩＥＣと膨潤率Ｖmの両者の上記関係は、電解質膜２０がフッ素系イオン交換膜であっても炭化水素系イオン交換膜であっても成り立つことになる。
【００３１】
そして、数式３の膨潤率Ｖmを数式２に代入すると、以下の数式４が得られる。
【００３２】
【数４】
2012119169.tif 000006
【００３３】
本実施例の燃料電池１０では、この数式４を満たすよう、セル内燃料ガス流路４７とセル内酸化ガス流路４８の溝幅Ｌと、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣおよび弾性率Ｅmを定めた。この場合、数式４は、既述した数式１の変形で得られたものであることから、数式１と等価である。よって、この数式４を満たすよう、セル内燃料ガス流路４７とセル内酸化ガス流路４８の溝幅Ｌと、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣおよび弾性率Ｅmを定めることで数式１が成立し、電解質膜２０は、数式１の左辺である膨潤圧が右辺の座屈荷重より小さい性状を有するものとなる。
【００３４】
上記したように数式４を満たすよう、セル内燃料ガス流路４７とセル内酸化ガス流路４８の溝幅Ｌと、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣと、弾性率Ｅmおよび膜厚ｄmを定めるに当たっては、まず、溝幅Ｌを実用的な溝幅とする。その上で、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣおよび弾性率Ｅmについては、例えば、フッ素系イオン交換膜を電解質膜２０とする場合には、数式４を満たすよう定めたイオン交換容量ＩＥＣおよび弾性率Ｅmが得られるように、フッ素系樹脂を用いた製造過程において、イオン交換基（極性基）であるスルホン酸基を有するスルホン系樹脂の配合調整を経たイオン交換当量の調整や分子量の調整、或いは、樹脂重合に関与する架橋剤の配合調整等を行う。
【００３５】
次に、上記した数式１に表した膨潤圧と座屈荷重との関係を満たした電解質膜２０、即ち数式１と等価な数式４を満たした電解質膜２０を有する実施例品の燃料電池１０の性能評価について説明する。評価対象の比較例品は、膨潤圧と座屈荷重との関係が数式１に反する燃料電池であり、単セル１５の電極面積、電解質膜のサイズ等の他、セル内燃料ガス流路４７、セル内酸化ガス流路４８の溝幅Ｌについては、実施例品と同一である。そして、実施例品と比較例品について、各比較例および実施例の燃料電池の単セル１５を、乾湿サイクル試験に処して性能評価を行った。
【００３６】
この乾湿サイクル試験では、セル温度を８０℃とした上で、８分間の相対湿度１００％でのガス供給・発電と、２分間の乾燥状態でのガス供給・発電とを１サイクルとして、このサイクルを繰り返すこととした。この乾湿サイクル試験について、本実施例の燃料電池１０と比較例燃料電池の性能評価の対比結果を下記の表にて示す。この表に示すように、電解質膜２０の種別、つまりフッ素系イオン交換膜（Ｆ系電解質膜）と炭化水素系イオン交換膜（ＨＣ系電解質膜）ごとに、比較例品と実施例品を準備し、対比した。表において、右辺値が同じであるのは、溝幅Ｌが比較例品と実施例品とで同じためである（数式４参照）。
【００３７】
【表１】
2012119169.tif 000007
【００３８】
実施例品は、フッ素系イオン交換膜および炭化水素系イオン交換膜の電解質膜２０において、共に数式４（数式１）を満たし、比較例品はいずれもこれを満たさない。そして、１２００サイクルの乾湿サイクル試験の実施後に単セルを分解して電解質膜２０における膜シワの有無を調べたところ、具体的には電解質膜２０とその両側のアノード２１とカソード２２の両電極を含むＭＥＡ（図１参照）における膜シワの有無を調べたところ、数式４（数式１）を満たす実施例品は、いずれも膜シワが観察されなかったのに対し、数式４（数式１）を満たさない比較例品は、いずれも膜シワが観察された。この場合、ＭＥＡは、図１に示すように、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４を介在させてガスセパレーター２５とガスセパレーター２６で挟持され、両ガスセパレーターは溝幅Ｌのセル内燃料ガス流路４７或いはセル内酸化ガス流路４８を有する。よって、ＭＥＡおよびその電解質膜２０は、流路間のリブにおいてはその動きが拘束され、上記の両ガス流路と向かい合う範囲ではその拘束が緩む。こうしたことから、比較例品で観察された膜シワの痕跡箇所は、ガス流路と向かい合う範囲とほぼ一致している。
【００３９】
ＭＥＡ（電解質膜２０）に生じた膜シワは、電解質膜２０およびこれを含むＭＥＡの破損によるクロスリークの原因となり得ることから、上記の各実施例品は、高い耐久性を有するものと言える。つまり、電解質膜２０の膨潤圧が電解質膜２０の座屈荷重より小さい関係を示す数式１と等価な数式４を満たすよう、電解質膜２０の性状を規定すること（具体的には、ガス流路の溝幅Ｌと電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣおよび弾性率Ｅmを規定すること）で、電解質膜２０をその膨潤圧が座屈荷重より小さい性状を有するようにすることには大きな意義があり、このように規定することで、電解質膜２０の耐久性を高めることができることが確認できた。
【００４０】
比較例品と実施例品での電解質膜２０の耐久性の相違は、次のように説明できる。まず、既述したように、数式４を満たすよう、単セル１５におけるガス流路の溝幅Ｌと電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣおよび弾性率Ｅmを規定することで、膨潤に伴って電解質膜２０の膜内に発生する膨潤圧（数式１左辺）が、膨潤に伴って変形した電解質膜２０が溝幅Ｌのセル内燃料ガス流路４７或いはセル内酸化ガス流路４８に入り込んで座屈する際に電解質膜２０に掛かる座屈荷重（数式１右辺）を超えないようにできる。このため、本実施例の実施例品の燃料電池１０では、膨潤に伴う変形により、電解質膜２０がセル内燃料ガス流路４７およびセル内酸化ガス流路４８に入り込んで座屈しても、その座屈箇所に作用する膨潤圧が座屈荷重を超えないので、実施例品では、乾湿サイクル試験の各サイクルにおいて収縮と膨張が元に戻るよう繰り返すことになり、乾湿サイクル試験後において膜シワが残らない、と推考できる。この結果、本実施例の燃料電池１０によれば、電解質膜２０のシワや折れに起因する損傷を抑制でき、耐久性の向上を図ることができる。
【００４１】
これに加え、電解質膜２０の膨潤圧は、当該膜の膨潤率Ｖmに弾性率Ｅmと膜厚ｄmを乗じて得られ、この膨潤率Ｖm、即ち膨潤圧は、数式３から、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣの増大により大きくなる。このため、座屈荷重を超えない膨潤圧となる範囲でイオン交換容量ＩＥＣを高めることで、プロトン伝導性の向上をも図ることができる。この際のイオン交換容量ＩＥＣの増大化は、電解質膜２０の加湿状態を問わず低加湿の際であっても可能であるので、本実施例の燃料電池１０によれば、低加湿状況下での燃料電池１０の発電能力の維持もしくは向上も図ることができる。また、数式４を満たした上で、その右辺の値が左辺の値に近似するほど、耐久性向上と発電性能向上の両立が可能となる。
【００４２】
次に、変形例について説明する。この変形例では、電解質膜２０の周縁についてもその耐久性の向上を図るようにした。図３は単セル１５が有するＭＥＡを平面視して電極領域と周縁領域の区別を示す説明図、図４は変形例の前提となる電解質膜２０の周縁における各部材の構成を断面視して概略的に示す説明図である。
【００４３】
図３に示すように、ＭＥＡは、平面視で矩形形状をなし、その矩形形状に倣った中央領域をアノード２１およびカソード２２が占める電極面領域１００とし、当該領域をその外側で取り囲む枠状の領域を周縁領域１１０とする。図３は、ＭＥＡの一方の側、例えばアノード２１の側の平面視を示すが、他方の側であるカソード２２の側でも同様である。図４に示すように、この電極面領域１００と周縁領域１１０の連続した範囲、即ち図３における縦方向周縁、或いは横方向周縁を断面視すると、単セル１５においてＭＥＡを構成する電解質膜２０は、電極面領域１００に該当する範囲を電極面領域部２０ｓとし、周縁領域１１０に該当する範囲を周縁領域部２０ｅとして、この周縁領域部２０ｅを電極面領域部２０ｓから周縁側に延ばしている。ＭＥＡは、電解質膜２０の電極面領域部２０ｓの両膜面にアノード２１とカソード２２とを接合形成して備え、周縁領域１１０に当たる周縁領域部２０ｅをその表裏で保護フィルム３０で被覆する。本実施例では、ガスのシールをアノード側とカソード側でも確保するため表裏で保護フィルム３０で被覆したが、保護フィルム３０をアノードとカソードの一方とするようにすることもできる。
【００４４】
保護フィルム３０は、ＭＥＡ、詳しくは電解質膜２０における周縁領域１１０の周縁領域部２０ｅの保護の要をなす。図４では、保護フィルム３０はアノード２１とカソード２２の両電極についてもその周縁を被覆しているが、両電極周縁を含まないように電解質膜２０を被覆するようにすることもできる。この保護フィルム３０は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）のような樹脂製のフィルムから形成され、周縁領域部２０ｅの表面に周縁領域１１０に亘って接合している。この場合、保護フィルム３０の物性としての弾性率と座屈荷重は、後述するように電解質膜２０の物性と関係付けて規定される。
【００４５】
単セル１５は、上記したように保護フィルム３０を接合済みのＭＥＡにアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とを重ね、シール機能を有する樹脂製のシール材３２にて、周縁領域部２０ｅとその表裏の保護フィルム３０および上記の両ガス拡散層の周縁端部を含んでシールする。その上で、単セル１５は、ガスセパレーター２５とガスセパレーター２６とで、ＭＥＡを両ガス拡散層およびシール材３２と共に挟持する。これにより、図１にて説明したように、ガスセパレーター２５のセル内燃料ガス流路４７（図１参照）から流入した水素ガスは、アノード側ガス拡散層２３を経てアノード２１に供給され、ガスセパレーター２６のセル内酸化ガス流路４８（図１参照）から流入した空気は、カソード側ガス拡散層２４を経てカソード２２に供給され、電解質膜２０にて電気化学反応が進行する。そして、上記したガス供給は、シール材３２にてＭＥＡ周縁でシールされた状態で継続されることになる。
【００４６】
次に、図４のように保護フィルム３０にて電解質膜２０の周縁を被覆した上でシール材３２にて周縁のシールを図る上での電解質膜２０と保護フィルム３０との関係について説明する。この場合、保護フィルム３０で被覆された電解質膜２０の周縁領域１１０は、セル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８によるガス給排がなされない非発電領域であるので、電解質膜２０と保護フィルム３０との以下に記す関係は、既述した数式１の電解質膜２０の膨潤圧と座屈荷重との関係とは個別に規定することが可能であり、この関係に付加することができる。
【００４７】
図４に示すシール構造を採る上で、変形例の前提となる電解質膜２０弾性率と保護フィルム３０の弾性率とについては、次の数式５の関係を満たすよう、電解質膜２０の膨潤圧と保護フィルム３０の座屈荷重とについては、次の数式６の関係を満たすようにした。
【００４８】
【数５】
2012119169.tif 000008
【００４９】
上記の数式５は、その左辺にて膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜２０の弾性率Ｅm [ＭＰａ]を示し、この電解質膜２０の弾性率Ｅmは、右辺の保護フィルム３０の弾性率Ｅf [ＭＰａ]より大きくなる。数式６において、左辺は電解質膜２０についての上記の膨潤圧を示し、この膨潤圧は、電解質膜２０の弾性率Ｅm [ＭＰａ]と、膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜２０の膨潤率Ｖm[％]と、電解質膜２０の膜厚ｄm[ｍ]から算出される。右辺は、保護フィルム３０が折り曲げられたときの座屈荷重を示し、この座屈荷重は、保護フィルム３０の弾性率Ｅf [ＭＰａ]とフィルム膜厚ｄf[ｍ]、および図４に示す保護フィルム３０による電解質膜２０の挟持幅Ｌf[ｍ]から算出される。上記した数式６右辺の保護フィルム３０が折り曲げられたときの座屈荷重は、付きの数式７〜８から算出される。
【００５０】
【数６】
2012119169.tif 000009
【００５１】
数式７はオイラーの座屈荷重の式であり、フィルムの座屈荷重Ｐfは、フィルム長Ｌとフィルム弾性率Ｅ、および数式８に示すフィルム（断面積：フィルム幅ｂｘフィルム厚ｄ）の断面２次モーメントＩで求まる。この場合、保護フィルム３０による挟持幅Ｌfは、数式７におけるＬとなり、フィルム膜厚ｄfは、数式８におけるｄとなる。
【００５２】
上記した実施例の燃料電池１０に図３〜図４に示す保護フィルム３０による保護を適用するに当たり、その前提において、上記の数式５を満たすよう、電解質膜２０弾性率Ｅmと保護フィルム３０の弾性率Ｅmを定めると共に、上記の数式６を満たすよう、電解質膜２０についての上記の膨潤圧と保護フィルム３０の座屈荷重を定めた。そして、数式５〜数式６を満たすよう電解質膜２０弾性率Ｅmと保護フィルム３０の弾性率Ｅm、および電解質膜２０についての膨潤圧と保護フィルム３０の座屈荷重を定めることで、電解質膜２０は、その弾性率Ｅmが保護フィルム３０の弾性率弾性率Ｅmより大きく、且つ、電解質膜２０についての膨潤圧が保護フィルム３０の座屈荷重より小さい性状を有するものとなる。
【００５３】
この場合、電解質膜２０の膨潤率Ｖmは、先の数式３で示したように、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣ[ｍｅｑ／ｇ]と、電解質膜２０の弾性率Ｅm [ＭＰａ]、および電解質膜２０の膜乾燥密度ρ[ｇ／ｃｍ3]とで求まることから、数式３を数式６に代入することができる。こうすれば、数式６の左辺は、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣと弾性率Ｅmと膜乾燥密度ρおよび膜厚ｄmで求められる。よって、数式６を満たすように、電解質膜２０についてのイオン交換容量ＩＥＣと弾性率Ｅmと膜乾燥密度ρおよび膜厚ｄmと、右辺の保護フィルム３０の弾性率Ｅfとフィルム膜厚ｄfと挟持幅Ｌfとを定めればよい。これらの内、膜厚ｄmとフィルム膜厚ｄfおよび挟持幅Ｌfは、単セル１５として実情にあったものに予め規定できることから、実質的には、数式６を満たすように、電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣと弾性率Ｅmおよび膜乾燥密度ρと、保護フィルム３０の弾性率Ｅfを定めればよい。電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣおよび弾性率Ｅmについては、既述したような製造過程でのスルホン系樹脂の配合調整等を行えばよく、保護フィルム３０の弾性率Ｅfについては、既述した数式を満たす範囲の弾性率をもつ樹脂材料を選定すればよい。
【００５４】
次に、上記した数式５〜数式６に表した電解質膜２０弾性率Ｅmと保護フィルム３０の弾性率Ｅfの関係（弾性率関係）、および電解質膜２０の膨潤圧と保護フィルム３０の座屈荷重との関係（膨潤圧関係）を満たした電解質膜２０を有する実施例品の燃料電池１０の性能評価について説明する。評価対象の比較例品は、上記の弾性率関係と膨潤圧関係とが共に数式５〜数式６に反する燃料電池であり、単セル１５の電極面積、電解質膜のサイズ等の他、保護フィルム３０による電解質膜２０の挟持幅Ｌfについては、実施例品と同一である。そして、実施例品と比較例品について、各比較例および実施例の燃料電池の単セル１５を、上記した乾湿サイクル試験に処して性能評価を行った。仮に、電解質膜２０に保護フィルム３０によるフィルム被覆箇所近傍にて損傷が起きれば、その損傷箇所からのガスリークが起き得る。よって、本実施例の燃料電池１０と比較例燃料電池とについて、乾湿サイクル試験のサイクル回数とガスリーク量との関係を調べ、その性能評価の対比結果を下記の表にて示す。なお、表における電解質膜種は、実施例品と比較例品で同種であることを示し、例えば、フッ素系イオン交換膜の電解質膜２０であることを表す。保護Ｆ種（保護フィルム種）は、実施例品と比較例品で異なる保護フィルムを用いたことを示している。また、表におけるリークまでの乾湿サイクル数は、保護フィルム３０によるフィルム被覆箇所近傍でリークが起きるまでのサイクル数を意味する。
【００５５】
【表２】
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【００５６】
実施例品は、電解質膜２０弾性率Ｅmと保護フィルム３０の弾性率Ｅfの関係において数式５を満たし、電解質膜２０の膨潤圧と保護フィルム３０の座屈荷重との関係において数式６を満たす。比較例品は、電解質膜２０の膨潤圧と保護フィルム３０の座屈荷重との関係において数式６を満たすものの、電解質膜２０弾性率Ｅmと保護フィルム３０の弾性率Ｅfの関係において数式５を満たさない。そして、本実施例の燃料電池１０である実施例品は、１２４５回の乾湿サイクルを経て始めてリークが見られたのに対し、比較例品では、９４１回の乾湿サイクルでリークが観察された。電解質膜２０をその周縁で保護フィルム３０にて被覆するに当たり、数式５〜数式６を満たすよう電解質膜２０は、その弾性率Ｅmが保護フィルム３０の弾性率弾性率Ｅmより大きく、且つ、電解質膜２０についての膨潤圧が保護フィルム３０の座屈荷重より小さい性状を有するようにすることには大きな意義があり、このように規定することで、保護フィルム３０によるフィルム被覆箇所近傍での電解質膜２０の耐久性を高めることができることが確認できた。
【００５７】
比較例品と実施例品での保護フィルム３０によるフィルム被覆箇所近傍での電解質膜２０の耐久性の相違は、次のように説明できる。まず、既述したように、数式５を満たすよう、電解質膜２０は、その弾性率Ｅmの方が保護フィルム３０の弾性率Ｅfより大きくした。よって、電解質膜２０は、保護フィルム３０によるフィルム被覆箇所では拘束を受け、フィルム被覆箇所から電極側に離れるとその拘束が緩むものの、フィルム被覆箇所近傍での膨潤に伴う電解質膜２０の変形は、保護フィルム３０が膜変形に伴って変形可能なことから、保護フィルム３０により強く規制されないように起きる。
【００５８】
これに加え、数式６を満たすよう、膨潤に伴って電解質膜２０の膜内に発生する膨潤圧が保護フィルム３０の座屈荷重より小さいので、電解質膜２０の膨潤圧は保護フィルム３０の座屈荷重を超えないことになる。これらの結果、数式５〜数式６を満たすようにすれば、保護フィルム３０によるフィルム被覆箇所において、保護フィルム３０にはその座屈荷重を超える膨潤圧が作用しないので、実施例品における保護フィルム３０とこれに挟持された電解質膜２０にあっては、そのフィルム保護箇所とその近傍において、乾湿サイクル試験の各サイクルにおいて収縮と膨張が元に戻るよう繰り返すに過ぎず、シワや折れに起因する損傷を抑制でき、耐久性の向上を図ることができる。しかも、電解質膜２０の膨潤圧は、既述したように電解質膜２０のイオン交換容量ＩＥＣの増大により大きくなるので、保護フィルム３０の座屈荷重を超えない膨潤圧となる範囲でイオン交換容量ＩＥＣを高めて、プロトン伝導性の向上をも図ることができる。この際のイオン交換容量ＩＥＣの増大化は、電解質膜２０の加湿状態を問わず低加湿の際であっても可能であるので、数式５〜数式６を満たすようにして保護フィルム３０にて電解質膜２０の周縁を被覆するようにすれば、低加湿状況下での発電能力の維持もしくは向上も図ることができる。
【００５９】
そして、数式５〜数式６を満たすようにする上では、先に説明した実施例において数式１またはこれと等価な数式４を満たすための変数となるガス流路の溝幅Ｌを考慮する必要がなく、実施例においても、数式１を満たすようにする上では、数式５〜数式６を満たすための変数となる保護フィルム３０による電解質膜２０の挟持幅Ｌfを考慮する必要はない。しかしながら、電解質膜２０と保護フィルム３０とについて規定する数式５〜数式６は、既述した数式１の電解質膜２０の膨潤圧と座屈荷重との関係に付加することができる。よって、図１に示した実施例の単セル１５において、その有する電解質膜２０の周縁を保護フィルム３０にて被覆するようにした上で、既述したように数式５〜数式６を満たすようにすれば、更なる耐久性の向上を達成できると予想される。
【００６０】
以上、本発明の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なんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、図１では、セル内燃料ガス流路４７とセル内酸化ガス流路４８とを紙面の手前側から奥側に向かう或いはその逆の流路として記したが、セル内燃料ガス流路４７とセル内酸化ガス流路４８とを、ガスがＭＥＡを挟んで直交するように流れるようにすることもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃料電池
１５…単セル
２０…電解質膜
２０ｅ…周縁領域部
２０ｓ…電極面領域部
２１…アノード
２２…カソード
２３…アノード側ガス拡散層
２４…カソード側ガス拡散層
２５…ガスセパレーター
２６…ガスセパレーター
３０…保護フィルム
３２…シール材
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
１００…電極面領域
１１０…周縁領域
Ｌ…溝幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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