【手続補正書】
【提出日】平成25年5月22日(2013.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
アノード側の構成は、カソード側の構成と同様である。すなわち、アノード側触媒層３１ａは、カソード側触媒層３１ｃと同じ構成を有している。また、アノード側ガス拡散層３２ａはカソード側ガス拡散層３２ｃと、アノード側セパレータ３３ａはカソード側セパレータ３３ｃと、それぞれ同じ構成を有している。なお、アノード側セパレータ３３ａとアノード側ガス拡散層３２ａとの間に形成された燃料ガス流路３４ａは、燃料ガス（水素ガス）をアノード側ガス拡散層３２ａに導くと共に、アノード側ガス拡散層３２ａから排出されるガス（生成水）を外部に排出する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
図２は、図１に示すカソード側触媒層近傍の構造を拡大して模式的に示す説明図である。カソード側触媒層３１ｃは、カーボン担体１３０に触媒粒子１２０を担持した触媒担持カーボン１１０と、アイオノマー１４０と、を備える。触媒粒子１２０は、触媒として機能する。本実施例では、触媒粒子１２０の材料として、白金を用いる。また、本実施例では、カーボン担体１３０として、カーボンブラックを用いる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
電解質膜３０は、図２に示すように、アイオノマー１４０を用いて形成された膜を用いることができる。この場合、電解質膜３０の成分と、アイオノマー１４０の成分とは、ほぼ同じであってもよい。また、電解質膜３０のイオン交換当量とアイオノマー１４０のイオン交換等量とを異ならせてもよい。また、アイオノマー１４０以外の、他のプロトン伝導性のイオン交換樹脂などを用いて膜を形成してもよい。その他、プロトン伝導性を有する電解質樹脂と無機材料との複合膜や、プロトン伝導性を有する電解質樹脂でなくとも類似の温度及び湿度条件下でプロトン伝導性を有する電解質膜であれば、本発明の固体高分子型燃料電池に適用することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
カソード側ガス拡散層３２ｃは、例えば、不織布により形成されたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能である。また、カソード側ガス拡散層３２ｃとして、樹脂製や金属製の多孔体を用いることも可能である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図５に示すシミュレーション結果は、燃料電池の触媒層モデルとして、触媒表面にアイオノマーフィルムを持つ公知のアグロメレートモデル（Nobuaki Nonoyama and Yoshihiro Ikogi, ECS Trans. 16(2),13(2008), A.Z.Wber and J.Newman, Chemical Reviews, 104, 4679(2004)）を採用して発電性能をシミュレーションし、その結果を利用して触媒層拡散抵抗を算出した。なお、このシミュレーションでは、触媒層に関して下記式（４），（５）によりモデリングした。ここで、式（５）は、有効アイオノマー表面積（Ａion）と、白金表面積（Ａpt）との関係をモデル化するものであるが、上述したように、出願人は、「酸素透過に寄与するアイオノマーの表面積（有効アイオノマー表面積）は、触媒粒子（白金）の表面積に比例する」と想定し、ｎ（べき乗）＝１に設定してシミュレーションを行った。また、このシミュレーションでは、上記実験で用いた電解質膜，触媒，アイオノマーの各物性データを用いた。なお、未知のパラメータ（例えば、ｉ0（交換電流密度）や、δion（アイオノマーフィルム厚））は、図５に示す実験データへのフィッテイングにより求めた。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
図６は、シミュレーションにより得られた白金目付け量とセル電圧との関係を示す説明図である。図６において、横軸は白金目付け量（ｍｇ／ｃｍ2）を示し、縦軸はセル電圧（Ｖ）を示す。図６において、曲線Ｌ４は、従来のアイオノマー（ＤＥ２０２０）の物性データに基づくシミュレーション結果を示す。曲線Ｌ５は、従来のアイオノマーの酸素透過性を２倍にした場合のシミュレーション結果を示す。なお、曲線Ｌ４，Ｌ５を得たいずれのシミュレーションにおいても、Ａｐｔ（白金表面積）として、白金目付け量が０．１ｍｇ／ｃｍ2〜０．８ｍｇ／ｃｍ2に相当する値を用いてシミュレーションを行った。また、いずれのシミュレーションにおいても、セル温度８０℃，酸素濃度１３％，圧力１４０ｋＰａ，相対湿度５０％，電流密度１．５Ａ／ｃｍ2としてセル電圧を算出している。なお、温度及び相対湿度を、それぞれ８０℃及び５０％としたのは、以下の理由による。すなわち、固体高分子燃料電池は、一般的に、起動時や負荷変動時など一時的な状況を除き、現状の固体高分子膜の特性から、運転温度としては例えば６０℃〜１００℃の範囲で運転制御される。また、ある程度水分がないと高いプロトン伝導性を発現できないことと、電極反応により生成水が生じることとから、固体高分子燃料電池は、ある程度の湿度環境下で使用される。したがって、ここでは、一般的な運転条件である８０℃、湿度５０％を設定してシミュレーションを行った。図６に示す曲線Ｌ６は、白金目付け量が十分に多い０．８ｍｇ／ｃｍ2における性能を基準とした場合の触媒活性の低下の寄与のみによるセル電圧を、上述したバトラーボルマー式（式（２），（３））を用いて算出して得られた結果である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
図７は、白金目付け量が０．３ｍｇ／ｃｍ2である場合における酸素透過性とセル電圧との関係を示す説明図である。図７において、横軸は酸素透過性を、縦軸はセル電圧（Ｖ）を、それぞれ示す。なお、横軸の酸素透過性は、従来のアイオノマー（ＤＥ２０２０）の酸素透過性（およそ１．１×１０-14ｍｏｌ／ｍ／ｓ／Ｐａ）に対する割合によって示している。例えば、横軸「２」は、従来のアイオノマーの２倍の酸素透過性を意味する。図７において、黒色の矩形を含む曲線Ｌ７は、シミュレーションにより白金目付け量が０．３ｍｇ／ｃｍ2である場合に酸素透過性を変化させて得られたセル電圧を示す。また、直線Ｌ８は、シミュレーションにより白金目付け量が０．３ｍｇ／ｃｍ2である場合の触媒活性の低下の寄与のみによるセル電圧を示す。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
図７に示すように、従来のアイオノマー（酸素透過性「１」）では、曲線Ｌ７と直線Ｌ８とを比較すると、アイオノマー表面積減少に伴う拡散抵抗の増大によるセル電圧の低下が、およそ３０ｍＶ程度生じている。これに対して、アイオノマーの酸素透過性を、従来のアイオノマーの２倍以上（２．２×１０-14ｍｏｌ／ｍ／ｓ／Ｐａ以上）にすると、セル電圧の低下量は、触媒活性の低下に起因する電圧低下分とほぼ一致し、アイオノマー表面積減少に伴う拡散抵抗の増大によるセル電圧の低下がほとんど生じなくなる。したがって、アイオノマーの酸素透過性を、およそ２．２×１０-14ｍｏｌ／ｍ／ｓ／Ｐａ以上とすることにより、燃料電池の発電性能の低下を大きく抑制できる。また、このように高い酸素透過性のアイオノマーを用いると、白金目付け量を少なくする（例えば、０．３ｍｇ／ｃｍ2以下）場合であっても、燃料電池の発電性能の劣化を大きく抑制できる。本実施形態では、相対湿度５０％の計算結果を示したが、その他の湿度においても同様の結果が得られており、酸素透過性を２．２×１０-14ｍｏｌ／ｍ／ｓ／Ｐａ以上とすることにより、発電性能の低下を抑制することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
また、例えば、燃料電池１０からカソード側セパレータ３３ｃ及びカソード側ガス拡散層３２ｃを取り除き、カソード側触媒層３１ｃを露出させる。この状態（電解質膜３０上にカソード側触媒層３１ｃが形成されたままの状態）で、ＸＲＤ法を用いて白金の径を求め、上述した方法と同様にして白金の表面積を求めることができる。なお、電解質膜３０からカソード側触媒層３１ｃを剥ぎ取り、キャピラリー（毛細管）などに詰めて、ＸＲＤ法により白金の径を求めることもできる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
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