JPH06251780A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電解質層からのガス漏れが生じることの無い固
体高分子電解質型燃料電池を提供する。 【構成】固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池１
０Ａは、ＥＷ値の大きなナフィオン膜２１Ａと、ＥＷ値
の小さいナフィオン膜２２Ａとで構成された電解質層２
Ａを備える燃料電池セル１Ａを用いている。電解質層２
Ａでは、ナフィオン膜２１Ａを、ナフィオン膜２２Ａ
の、電極３と電極４が挟持されないその周縁部に積層し
て、ナフィオン膜２２Ａの高いプロトン導電性を損なう
ことなく、電解質層の機械的強度の増大を図ったもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子電解質型
燃料電池の固体高分子電解質膜でなる電解質層に係わ
り、特に機械的強度の増大された電解質層に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池として、これに使用される電解
質の種類により、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融
炭酸塩型，固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られ
ている。このうち、固体高分子電解質型燃料電池は、分
子中にプロトン（水素イオン）交換基を有する高分子樹
脂膜を飽和に含水させると，低い抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能することを利用した燃料電池
である。

【０００３】図７は、このような従来例の固体高分子電
解質型燃料電池の単位燃料電池の模式的に示した構成図
である。図７において、９は、燃料電池セル８と、この
燃料電池セル８の一方の側面に配設されて図示しない燃
料ガスを通流させる溝５１を多数有し，ガスを透過しな
い材料で製作されたセパレータ５Ａと、燃料電池セル８
の他方の側面に配設されて図示しない酸化剤ガスを通流
させる溝５２を多数有し、セパレータ５Ａと同様に、ガ
スを透過しない材料で製作されたセパレータ５Ｂと、例
えば、Ｏリング等のシール体６とで構成された、固体高
分子電解質型燃料電池の単位燃料電池である。

【０００４】燃料電池セル８は、薄い矩形状をなしてお
り、固体高分子電解質膜（以降、ＳＰＥ膜と略称するこ
とがある。）からなる電解質層７と、電解質層７の一方
の主面に密接して積層された燃料ガス（例えば、水素あ
るいは水素を高濃度に含んだガスである。）の供給を受
ける燃料電極（アノード極でもある。）３と、電解質層
７の他方の主面に密接して積層された酸化剤ガス（例え
ば、空気である。）の供給を受ける酸化剤電極（カソー
ド極でもある。）４とで構成されている。燃料電極３お
よび酸化剤電極４は、共に触媒活物質を含むそれぞれの
触媒層３１，４１と、この触媒層３１，４１を支持する
とともに反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガスを総称してこ
のように言う。）を供給および排出するとともに集電体
としての機能を有する多孔質の電極基材３２，４２とか
らなり、前記触媒層３１，４１を電解質層７の両主面に
ホットプレスにより密着させて配置される。

【０００５】それぞれのセパレータ５Ａ，５Ｂは、電解
質層７が露出されている周縁部で、シール体６を介して
燃料電池セル８を挟むようにして配設される。なお、シ
ール体６は、セパレータ５Ａ，５Ｂの溝５１，５２中に
通流する反応ガスが、通流路外に漏れ出るのを防止する
役目を負うものであり、それぞれのセパレータ５Ａ，５
Ｂの周縁部に形成された溝５３，５４中に嵌め込まれて
装着される。

【０００６】１個の単位燃料電池９が発生する電圧は、
１〔Ｖ〕程度以下と低い値であるので、前記した単位燃
料電池９の多数個を互いに直列接続した燃料電池セル集
積体（以降、スタックと略称することがある。）として
構成し、電圧を高めて実用に供されるのが一般的であ
る。図８は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の単
位燃料電池を用いて構成したスタックの模式的に示した
構成図である。図８において、９Ａは、複数の単位燃料
電池９を積層し、さらにその両端部に複数の単位燃料電
池９で発生した直流電気をスタック９Ａから取り出すた
めの集電板９１ａ，９１ｂと、単位燃料電池９および集
電板９１ａ，９１ｂを構造体から電気的に絶縁するため
の電気絶縁板９２ａ，９２ｂと、単位燃料電池９，集電
板９１ａ，９１ｂ、電気絶縁板９２ａ，９２ｂを積層し
た積層体の両外端部に配設される締付板９３ａ，９３ｂ
と、締付板９３ａ，９３ｂに適度の加圧力を与える締め
付けボルト９４とで構成されている。さらに、スタック
９Ａには、複数の単位燃料電池９毎に冷却板９５が必要
に応じて介挿されている。なお、締め付けボルト９４の
与える加圧力は、シール体６がそのシール性を発揮する
ためのシール力を生み出すためにも使用されるものであ
る。

【０００７】スタック９Ａにおいては、複数の単位燃料
電池９が備える燃料電極３および酸化剤電極４のそれぞ
れに、燃料電極３には燃料ガスを、また、酸化剤電極４
には酸化剤ガスを供給することで、それぞれの電極３，
４の触媒層３１，４１とＳＰＥ膜でなる電解質層７との
界面に三相界面（前記触媒層中の触媒と、ＳＰＥ膜、い
ずれかの反応ガスとが、互い接する界面のことを言
う。）を形成させ、電気化学反応を生じさせることで直
流電気を発生させる。なお前記触媒層３１，４１は、微
小な粒子状の白金触媒とはっ水性を有するフッ素樹脂か
ら形成されており、しかも多数の細孔を形成すること
で、反応ガスの三層界面までの効率的な拡散を維持する
するとともに、十分広い面積の三層界面が形成される構
成としている。

【０００８】ところで、電解質層７を形成しているＳＰ
Ｅ膜は、前述したとおり、分子中にプロトン（水素イオ
ン）交換基を有する高分子膜であり、飽和に含水させる
と常温で２０〔Ω・ｃｍ〕以下の抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能する膜である。この飽和含水
量は、ＳＰＥ膜の温度によって可逆的に変化する。この
ＳＰＥ膜としては、現時点においては、パ−フルオロス
ルホン酸樹脂膜（例えば、米国、デュポン社製、商品名
ナフィオン膜）等が知られている。

【０００９】前述の構成を備える燃料電池セル８は、以
下のようにして調製されている。白金黒を２０％担持し
たカーボンと、ポリテトラフロロエチレンのディスパー
ジョンを混合し、０．４〔ｍｍ〕の厚さを有するカーボ
ンペーパにスポイトにて滴加する。これを、真空乾燥器
にて２４〔ｈ〕乾燥した後、３６０〔℃〕で１５〔ｍｉ
ｎ〕焼成することで、カーボンペーパ上に１００〔μ
ｍ〕厚さの触媒層３１あるいは触媒層４１が得られる。
この触媒層３１，４１の上に、フッ素樹脂系の陽イオン
交換溶液を刷毛で１回塗布し、電極３あるいは電極４が
調製される。

【００１０】次に、電解質層７としての純水中に浸漬し
て膜中に水を包含させたパ−フルオロスルホン酸樹脂膜
を、電極３，４でサンドウィッチし、１２０〔℃〕で１
０〔ｍｉｎ〕ホットプレスし、電解質層７と電極３なら
びに電極４との相互間を密着かつ一体化させる。このよ
うにして得られた燃料電池セル８において、ＳＰＥ膜を
用いた電解質層７と、触媒層３１，４１と、反応ガスと
が形成する三相界面で生じる電気化学反応は、次のとお
りである。

【００１１】アノード電極３では（１）式の反応が起こ
る。

【００１２】

【数１】

【００１３】カソード電極４では（２）式の反応が起こ
る。

【００１４】

【数２】

【００１５】つまりアノード電極３においては、外部よ
り供給された水素がプロトンと電子を生成する。生成し
たプロトンは、ＳＰＥ膜中をカソード電極４に向かって
移動し、電子は、図示しない外部電気回路を通ってカソ
ード電極４に移動する。一方、カソード電極４において
は、外部より供給された酸素とＳＰＥ膜中をアノード電
極３より移動してきたプロトンと外部電気回路より移動
してきた電子が反応し、水を生成する。かくして、単位
燃料電池９は、水素と酸素を得て直流電気を発電するの
である。

【００１６】なお、ＳＰＥ膜は、その内部に水を包含し
ており、電解質として機能するばかりでなく、反応ガス
である燃料ガスや酸化剤ガスが透過しない膜でもあるの
で、反応ガスが相互に混合するいわゆるクロスリークを
防止する役目も果たしている。また、反応ガスは、この
ＳＰＥ膜でなる電解質層７と、ガスを透過しない材料で
製作されたセパレータ５Ａ，５Ｂと、セパレータ５Ａ，
５Ｂに形成された溝５３，５４に嵌め込まれて，電解質
層７の周縁部との間をシールするシール体６とで、それ
ぞれの反応ガスの通流路である溝５１，５２の周囲が覆
われることにより、通流路外への漏れ出し、ひいては、
クロスリークが防止されている。

【００１７】なおまた、セパレータとしては、前述した
溝５１，５２を一方の側面のみに配設した構成のセパレ
ータ５Ａ，５Ｂ以外に、スタック構成の際に互いに隣接
するセパレータの溝も一体に形成することで，スタック
構成の合理化を図るために、溝５１，５２を両側面に配
設するようにしたセパレータも知られている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る固体高分子電解質型燃料電池においては、直流発電の
機能を十分に発揮するのであるが、次のような問題点が
ある。すなわち、単位燃料電池９、あるいは、スタック
９Ａにおいては、反応ガスの通流路外への漏れ出し，あ
るいは，クロスリークの防止は、ＳＰＥ膜でなる電解質
層７の隔壁としての機能に依存しているのであるが、単
位燃料電池９，スタック９Ａの製造工程における、両電
極３，４と、電解質層７とを圧着するホットプレス工
程、燃料電池セル８をセパレータ５Ａ，５Ｂ間に挟持す
る工程において、ＳＰＥ膜が損傷を受けて、電解質層７
に傷やピンホールを生じることが有る。また、燃料電池
の運転時においても、ＳＰＥ膜の含水量の変化，運転時
の単位燃料電池９の運転温度（室温〜８０〔℃〕程
度．）の変化により、ＳＰＥ膜が膨張・収縮を行う履歴
を被ることで、電解質層７が機械的に劣化し，損傷を受
けることが有る。特に、シール体６によるシール力が加
わる電解質層７の周縁部では、損傷を受ける度合いが高
くなっている。

【００１９】これらにより、電解質層７が損傷を受ける
と、その損傷個所から反応ガスが漏れ出るので、燃料電
池の発電性能が低下し、運転の継続が不可能になる。こ
の発明は、前述の従来技術の問題点に鑑みなされたもの
であり、その目的は、電解質層からのガス漏れが生じる
ことの無い固体高分子電解質型燃料電池を提供すること
にある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 １）燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力
を発生する燃料電池セルと、この燃料電池セルの両面に
配置されて，燃料電池セルに燃料ガスまたは酸化剤ガス
を供給するための溝を有するセパレータを備え、燃料電
池セルは、固体高分子電解質膜でなる電解質層と、この
電解質層の二つの主面のそれぞれに密着して配置された
電極を有する固体高分子電解質型燃料電池において、電
解質層は、複数の機械的強度の異なる固体高分子電解質
膜からなる構成とすること、また ２）前記１項記載の手段において、燃料電池セルの有す
る電解質層は、イオン交換容量の異なる固体高分子電解
質膜の複数枚をその厚さ方向に積層した構成とするこ
と、さらにまた ３）前記１項記載の手段において、燃料電池セルの有す
る電解質層は、イオン交換容量の小さい固体高分子電解
質膜と、この膜の周囲に配設したイオン交換容量の大き
い固体高分子電解質膜を備え、これらの膜は互いに接合
される構成とすること、により達成される。

【００２１】

【作用】この発明においては、 電解質層を構成するＳＰＥ膜の、そのイオン交換容量
（以降、ＥＷと略称することがある。）値と機械的強度
との関係に着目して、例えば、燃料電池セルの有する電
解質層を、イオン交換容量の異なるＳＰＥ膜の複数枚を
その厚さ方向に積層した構成とする等の、電解質層を、
複数の機械的強度の異なる固体高分子電解質膜からなる
構成とすることにより、電解質層のプロトン導電性を維
持しつつ、その機械的強度の増大を図るものである。

【００２２】すなわち、ＳＰＥ膜としてナフィオン膜を
用いた場合においては、ナフィオン膜は、図９中に示し
たとおり、パ−フルオロカーボンを基本骨格に有し、ス
ルホン酸基をイオン解離基（膜内の固定イオン）として
持つ化学構造を備えるものであり、図９中に示したｎと
ｍの値を変えることにより、固定イオンとなるべきスル
ホン酸基の含量を任意に調整することができるものであ
る。スルホン酸基１当量当たりのパ−フルオロカーボン
ポリマー重量をイオン交換容量（ＥＷ）として求めて、
スルホン酸基の含量が評価される。

【００２３】ところで、ナフィオン膜には、ＥＷ値が小
さいものほど、単位重量当たりの固定イオン含量が大と
なり、イオン交換性に富みプロトン導電性が向上する
が、その機械的強度は低下し、この逆に、ＥＷ値が大き
いものほど、単位重量当たりの固定イオン含量が小とな
り、プロトン導電性が低下するが、その機械的強度につ
いては増大するという性質が有る。

【００２４】この発明では、このようなＳＰＥ膜の性質
を利用し、イオンＥＷ値が小さいＳＰＥ膜によりプロト
ン導電性を維持するとともに、ＥＷ値が大きいＳＰＥ膜
による等により、ＳＰＥ膜の機械的強度の増大を図るも
のである。 燃料電池セルの有する電解質層を、イオン交換容量の
小さいＳＰＥ膜と、この膜の周囲に配設したＥＷ値の大
きいＳＰＥ膜を備え、これらの膜は互いに接合される構
成とすることにより、で説明したＳＰＥ膜の性質を利
用し、シール体のシール力が余分に加わる電解質層の周
縁部に、ＥＷ値が大きく，したがって機械的強度の大き
いＳＰＥ膜を配設することにより、イオンＥＷ値が小さ
いＳＰＥ膜によりプロトン導電性を確保するとともに、
ＥＷ値が大きいＳＰＥ膜により，電解質層の周縁部の機
械的強度の増大を図るものである。

【００２５】

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。 実施例１；図２は、請求項１，２に対応するこの発明の
一実施例による固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料
電池の模式的に示した構成図である。図２において、図
７に示した従来例による固体高分子電解質型燃料電池と
同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。

【００２６】図２において、１０は、図７による固体高
分子電解質型燃料電池の単位燃料電池９に対して、燃料
電池セル８に替えて燃料電池セル１を用いるようにした
固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池である。燃
料電池セル１は、図７による燃料電池セル８にに対し
て、電解質層７に替えて電解質層２を用いるようにした
ものである。電解質層２は、従来例による電解質層７と
同様に、薄い矩形状をなしており、固体高分子電解質膜
（ＳＰＥ膜）として膜中に水を包含させたナフィオン膜
を用い、しかも、ＥＷ値のより大きなナフィオン膜２１
と、ＥＷ値のより小さいナフィオン膜２２とを、その厚
さ方向に積層したものである。

【００２７】このような構成の燃料電池セル１は、ナフ
ィオン膜２１と、ナフィオン膜２２を重ね合わせた後、
電極３と電極４でサンドウイッチし、１２０〔℃〕で１
０〔ｍｉｎ〕ホットプレスし、ナフィオン膜２１とナフ
ィオン膜２２とを密着・一体化するとともに、ナフィオ
ン膜２１と電極３ならびにナフィオン膜２２と電極４を
密着かつ一体化させることで得た。

【００２８】この発明では前述の構成としたので、ＥＷ
値が小さく、したがって、プロトン導電性の良好なナフ
ィオン膜２２で、電解質層２のプロトン導電性を確保す
るとともに、ナフィオン膜２２を、ＥＷ値が大きく、し
たがって機械的強度に優れたナフィオン膜２１で補強す
ることにより、機械的強度の向上させた電解質層２を得
ることが可能となる。

【００２９】また、プロトン導電性の良好なナフィオン
膜２２の補強を、化学的構造の基本骨格が同一の，ＥＷ
値が大きいナフィオン膜２１で行うことにより、ナフィ
オン膜２１とナフィオン膜２２間の接着性に優れた電解
質層２を得ることができた。なおこのことは、以降の実
施例においても同様である。 実施例２；図１は、請求項１，２に対応するこの発明の
異なる実施例による固体高分子電解質型燃料電池の単位
燃料電池の模式的に示した構成図、図３は、図１に示し
た固体高分子電解質型燃料電池の電解質層の上面図であ
る。図１において、図７に示した従来例による固体高分
子電解質型燃料電池と同一部分には同じ符号を付し、そ
の説明を省略する。

【００３０】図１において、１０Ａは、図７による固体
高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池９に対して、燃
料電池セル８に替えて燃料電池セル１Ａを用いるように
した固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池であ
る。燃料電池セル１Ａは、図７による燃料電池セル８に
に対して、電解質層７に替えて電解質層２Ａを用いるよ
うにしたものである。電解質層２Ａは、従来例による電
解質層７と同様に、薄い矩形状をなしており、ＳＰＥ膜
として膜中に水を包含させたナフィオン膜を用い、しか
も、ＥＷ値のより大きなナフィオン膜２１Ａと、ＥＷ値
のより小さいナフィオン膜２２Ａとを、図３に示す如
く、ナフィオン膜２１Ａを、ナフィオン膜２２Ａの電極
３と電極４が挟持されない周縁部に配置して、その厚さ
方向に積層したものである。

【００３１】このような構成の燃料電池セル１Ａは、ナ
フィオン膜２１Ａをナフィオン膜２２Ａの周縁部に配置
して、ナフィオン膜２２Ａに重ね合わせた後、電極３と
電極４でサンドウイッチし、１２０〔℃〕で１０〔ｍｉ
ｎ〕ホットプレスし、ナフィオン膜２１Ａとナフィオン
膜２２Ａとを密着・一体化するとともに、ナフィオン膜
２２Ａと電極３ならびに電極４とを密着かつ一体化させ
ることで得た。

【００３２】この発明では前述の構成としたので、ＥＷ
値が小さく、したがって、プロトン導電性の良好なナフ
ィオン膜２２Ａの両主面のそれぞれに、直接，両電極
３，４を密着・一体化したので、電解質層２Ａは実施例
１の場合の電解質層２よりも、高いプロトン導電性を確
保するとともに、ナフィオン膜２２Ａの周縁部は、ＥＷ
値が大きく、したがって機械的強度に優れたナフィオン
膜２１Ａで補強することにより、シール体６によるシー
ル力を受ける電解質層２Ａの周縁部の機械的強度を、重
点的に向上させた電解質層を得ることが可能となる。

【００３３】特に、ナフィオン膜２２Ａは、シール体６
によるシール力を直接受けることが無いので、プロトン
導電性を主体にそのＥＷ値を設定することも可能である
ために、一層高いプロトン導電性を確保できて、燃料電
池発電装置としての発電特性の向上を図ることも可能と
なるものである。 実施例３；図４は、請求項１，２に対応するこの発明の
さらに異なる実施例による固体高分子電解質型燃料電池
の単位燃料電池の模式的に示した構成図である。図４に
おいて、図１，図３に示した請求項１に対応するこの発
明の異なる実施例による固体高分子電解質型燃料電池、
および、図７に示した従来例による固体高分子電解質型
燃料電池と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省
略する。

【００３４】図４において、１０Ｂは、図１による固体
高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池１０Ａに対し
て、燃料電池セル１Ａに替えて燃料電池セル１Ｂを用い
るようにした固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電
池である。燃料電池セル１Ｂは、図１による燃料電池セ
ル１Ａにに対して、電解質層２Ａに替えて電解質層２Ｂ
を用いるようにしたものである。電解質層２Ｂは、従来
例による電解質層７と同様に、薄い矩形状をなしてお
り、ＳＰＥ膜として膜中に水を包含させたナフィオン膜
を用い、しかも、ナフィオン膜２１Ａと、ＥＷ値のより
小さいナフィオン膜２２Ｂとを、ナフィオン膜２１Ａ
を、ナフィオン膜２２Ｂの電極３と電極４が挟持されな
い周縁部の両面に配置して、その厚さ方向に積層したも
のである。

【００３５】このような構成の燃料電池セル１Ｂは、ナ
フィオン膜２１Ａをナフィオン膜２２Ｂの周縁部の両面
に配置して、ナフィオン膜２２Ｂに重ね合わせた後、燃
料電池セル１Ａと同様の工程により得た。この発明では
前述の構成としたので、ＥＷ値が小さく、したがって、
プロトン導電性の良好なナフィオン膜２２Ｂの両主面の
それぞれに、直接，両電極３，４を密着・一体化したの
で、電解質層２Ｂは実施例２の場合の電解質層２Ａと同
等のプロトン導電性を得るとともに、ナフィオン膜２２
Ｂの周縁部の両面を、ＥＷ値が大きく、したがって機械
的強度に優れたナフィオン膜２１Ａで補強することによ
り、シール体６によるシール力を受ける電解質層２Ｂの
周縁部の機械的強度を、電解質層２Ａの場合よりも一層
向上させた電解質層を得ることが可能となる。

【００３６】また、ナフィオン膜２２Ｂは、シール体６
によるシール力を直接受けることが無いので、プロトン
導電性を主体にそのＥＷ値を設定することも可能である
ために、一層高いプロトン導電性を確保できて、燃料電
池発電装置としての発電特性の向上を図ることも可能と
なるものである。 実施例４；図５は、請求項１，３に対応するこの発明の
一実施例による固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料
電池の模式的に示した構成図である。図５において、図
２に示した請求項１に対応するこの発明の一実施例によ
る固体高分子電解質型燃料電池、および、図７に示した
従来例による固体高分子電解質型燃料電池と同一部分に
は同じ符号を付し、その説明を省略する。

【００３７】図５において、１０Ｃは、図１による固体
高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池１０Ｃに対し
て、燃料電池セル１Ａに替えて燃料電池セル１Ｃを用い
るようにした固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電
池である。燃料電池セル１Ｃは、図１による燃料電池セ
ル１Ａにに対して、電解質層２Ａに替えて電解質層２Ｃ
を用いるようにしたものである。電解質層２Ｃは、従来
例による電解質層７と同様に、薄い矩形状をなしてお
り、ＳＰＥ膜として膜中に水を包含させたナフィオン膜
を用い、しかも、ＥＷ値のより大きいナフィオン膜２１
Ｃと、ＥＷ値のより小さいナフィオン膜２２Ｃとを、額
縁状をなしたナフィオン膜２１Ｃを、ナフィオン膜２２
Ｃの電極３あるいは電極４が挟持されていないその周囲
に配設し、これらのナフィオン膜２１Ｃ，２２Ｃをその
接合部で互いに接合したものである。

【００３８】なお、額縁状をなしたナフィオン膜２１Ｃ
の額縁状の内側面２１ａは傾斜面をなしている。また、
ナフィオン膜２２Ｃの四周の外側面２２ａも、内側面２
１ａと対向した傾斜面をなしている。この同一方向の傾
斜をなした内側面２１ａと外側面２２ａの互いに重なり
合う部分が、前記した接合部である。このような構成の
燃料電池セル１Ｃは、ナフィオン膜２１Ｃをナフィオン
膜２２Ｃの外側面２２ａに嵌め込んで配置した後、燃料
電池セル１Ａと同様の工程により得た。その際、ナフィ
オン膜２１Ｃとナフィオン膜２２Ｃとは、その接合部で
接着・一体化され、一様なＳＰＥ膜が得られた。

【００３９】この発明では前述の構成としたので、ＥＷ
値が小さく、したがって、プロトン導電性の良好なナフ
ィオン膜２２Ｃで、電解質層２のプロトン導電性を確保
するとともに、ナフィオン膜２２Ｃの周囲に、ＥＷ値が
大きく、したがって機械的強度に優れたナフィオン膜２
１Ｃを配置することにより、シール体６によるシール力
を受ける電解質層２Ｃの周縁部の機械的強度を、重点的
に向上させた電解質層を得ることが可能となる。

【００４０】また、ナフィオン膜２２Ｃは、シール体６
によるシール力を直接受けることが無いので、プロトン
導電性を主体にそのＥＷ値を設定することも可能である
ために、一層高いプロトン導電性を確保できて、燃料電
池発電装置としての発電特性の向上を図ることも可能と
なるものである。なお、ナフィオン膜２１Ｃとナフィオ
ン膜２２Ｃとの接合部は、ナフィオン膜２１Ｃの傾斜面
をなした内側面２１ａと、ナフィオン膜２２Ｃの傾斜面
をなした外側面２２ａであると説明したが、これに限定
されるものではなく、例えば、それぞれの膜の接合部
は、段付き構造であってもよいものである。

【００４１】実施例１における今までの説明では、電解
質層２の備えるナフィオン膜２１は、ナフィオン膜２２
の片面に配置するとしてきたが、これに限定されるもの
ではなく、例えば、ナフィオン膜２２の両面に配置して
もよいものである。また、実施例１，〜実施例４におけ
る今までの説明では、燃料電池セルを製造する際に、Ｅ
Ｗ値が大きいナフィオン膜と，ＥＷ値が小さいナフィオ
ン膜とは、まず，電極３と電極４でサンドウイッチし、
その後にホットプレスして、ナフィオン膜と電極間の接
着と同時に、ナフィオン膜相互の接着を行うとしてき
た。しかし、これに限定されるものではなく、例えば、
予めナフィオン膜相互をホットプレスにより圧着して一
体化しおき、その後に電極３と電極４でサンドウイッチ
して再度ホットプレスして、ナフィオン膜と電極間の接
着を行うようにしてもよいものである。

【００４２】

【発明の効果】この発明においては、 燃料電池セルの有する電解質層を、例えば、ＥＷ値の
異なるＳＰＥ膜の複数枚をその厚さ方向に積層して、Ｅ
Ｗ値が小さいＳＰＥ膜によりプロトン導電性を維持する
とともに、ＥＷ値が大きいＳＰＥ膜により機械的強度の
増大を図るようにする等により、電解質層のプロトン導
電性を維持しつつ、その機械的強度を増大させることに
より、図６にその運転時間−出力特性の事例を従来例と
比較して示すように、反応ガスのガス漏れ，あるいはそ
れが原因となり発生する反応ガスのクロスリークが低減
されることで、長時間出力の安定した固体高分子電解質
型燃料電池を得ることが可能となる。

【００４３】燃料電池セルの有する電解質層を、ＥＷ
値が小さいＳＰＥ膜と、この膜の周囲に配設したＥＷ値
のＥＷ大きいＳＰＥ膜を互いに接合して、ＥＷ値が小さ
いＳＰＥ膜に電極を接着させて高いプロトン導電性を得
るとともに、電解質層の周縁部はＥＷ値が大きいＳＰＥ
膜により機械的強度の増大を図ることにより、前述の
と同等あるいはそれ以上の長時間安定性を備えた固体高
分子電解質型燃料電池を得ることが可能となる、との効
果が有る。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１，２に対応するこの発明の異なる実施
例による固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池の
構成図

【図２】請求項１，２に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池の構成
図

【図３】図１に示した固体高分子電解質型燃料電池の電
解質層の上面図

【図４】請求項１，２に対応するこの発明のさらに異な
る実施例による固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料
電池の構成図

【図５】請求項１，３に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池の構成
図

【図６】図１に示した固体高分子電解質型燃料電池の運
転時間−出力特性（イ）を従来の固体高分子電解質型燃
料電池の特性（ロ）と対比して示す線図

【図７】従来例の固体高分子電解質型燃料電池の単位燃
料電池の構成図

【図８】従来例の固体高分子電解質型燃料電池の単位燃
料電池を用いて構成した燃料電池セル集積体の構成図

【図９】パ−フルオロスルホン酸樹脂膜（ナフィオン
膜）の化学構造を示す図

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 燃料電池セル ２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 電解質層 ２１，２１Ａ，２１Ｃ ナフィオン膜 ２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ ナフィオン膜 ３ 電極 ４ 電極 ５Ａ セパレータ ５Ｂ セパレータ １０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 単位燃料電池

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて
   直流電力を発生する燃料電池セルと、この燃料電池セル
   の両面に配置されて，燃料電池セルに燃料ガスまたは酸
   化剤ガスを供給するための溝を有するセパレータを備
   え、 燃料電池セルは、固体高分子電解質膜でなる電解質層
   と、この電解質層の二つの主面のそれぞれに密着して配
   置された電極を有する固体高分子電解質型燃料電池にお
   いて、 電解質層は、複数の機械的強度の異なる固体高分子電解
   質膜からなるものである、 ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
2. 【請求項２】請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電
   池において、 燃料電池セルの有する電解質層は、イオン交換容量の異
   なる固体高分子電解質膜の複数枚をその厚さ方向に積層
   したものである、 ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
3. 【請求項３】請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電
   池において、 燃料電池セルの有する電解質層は、イオン交換容量の小
   さい固体高分子電解質膜と、この膜の周囲に配設したイ
   オン交換容量の大きい固体高分子電解質膜を備え、これ
   らの膜は互いに接合されるものである、 ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。