(57)【要約】【課題】水素分離膜と電解質膜の剥離による水素分離膜型燃料電池の劣化を抑制する。【解決手段】水素分離膜基材１１ｆを、その一方の面のみを研磨することによって研磨面ＰＳ側に凸状に湾曲させる。水素分離膜基材１１ｆの凹面側に電解質膜１０及びカソード電極層１２を成膜して湾曲した膜電極接合体１４Ａを形成する。湾曲していない平板状のセパレータ２０、２１によって膜電極接合体１４Ａが挟持されることによって、膜電極接合体１４Ａの曲率が低減されて電解質膜１０に膜面方向に働く引張応力が発生する。そのため、電解質膜１０に膜面方向への圧縮応力が発生することを抑制でき、電解質膜１０と水素分離膜基材１１ｆの剥離を抑制できる。【選択図】図５
2008218153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の製造方法であって、
（ａ）水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
（ｂ）前記水素分離膜基材を湾曲させる工程と、  
（ｃ）前記水素分離膜基材の凹面に電解質膜を成膜した水素分離膜／電解質膜接合体を形成する工程と、
（ｄ）前記水素分離膜／電解質膜接合体を燃料電池に組み付ける工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、前記水素分離膜の表面を研磨することによって湾曲させる工程を含む、燃料電池の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程（ｄ）は、前記水素分離膜／電解質膜接合体の曲率を低減させるように前記水素分離膜／電解質膜接合体を変形させた状態で燃料電池に組み付ける工程を含む、燃料電池の製造方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程（ｄ）は、前記水素分離膜／電解質膜接合体の曲率を変化させることなく、前記水素分離膜／電解質膜接合体を湾曲したままの状態で燃料電池に組み付ける工程を含む、燃料電池の製造方法。
【請求項５】
燃料電池の製造方法であって、
（ａ）水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
（ｂ）前記水素分離膜基材を湾曲させる工程と、  
（ｃ）前記水素分離膜基材の凸面に電解質膜を成膜した水素分離膜／電解質膜接合体を形成する工程と、
（ｄ）前記水素分離膜／電解質膜接合体の曲率を変化させることなく、前記水素分離膜／電解質膜接合体を湾曲した状態のままで燃料電池に組み付ける工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項６】
請求項６に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、前記水素分離膜の表面を研磨することによって湾曲させる工程を含む、燃料電池の製造方法。
【請求項７】
燃料電池の製造方法であって、
（ａ）水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
（ｂ）前記水素分離膜基材の一方の面を研磨する工程と、
（ｃ）前記水素分離膜基材を湾曲することによって、前記水素分離膜基材の曲率を低減させる工程と、
（ｄ）前記水素分離膜基材に電解質膜を成膜した水素分離膜／電解質膜接合体を形成する工程と、
（ｅ）前記水素分離膜／電解質膜接合体を燃料電池に組み付ける工程と、
を備えことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の製造方法であって、
前記工程（ｃ）は、前記水素分離膜基材の前記工程（ｂ）において研磨されていない面を研磨することによって前記水素分離膜基材の曲率を低減させる工程を含む、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素分離膜型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、水素を選択的に透過する水素分離膜をアノード電極層側に配置することによって、水素含有ガスから水素のみを電解質に供給する水素分離膜型燃料電池がある。水素分離膜型燃料電池の製造方法として、水素分離膜基材の表面に電解質膜を成膜して形成する方法が知られている（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１２４６７
【０００４】
ところで、そうした水素分離膜型燃料電池の製造工程においては、電解質膜の成膜後の燃料電池への組み付け工程において水素分離膜基材の曲率が変化してしまう場合がある。この場合には、電解質膜に圧縮応力が発生して、この圧縮応力のために水素分離膜基材から電解質膜が剥離するなど燃料電池の劣化が生じる可能性が高くなることを本発明の発明者が見出した。しかし、これまでこうした問題に対して充分な工夫がなされていないのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、水素分離膜と電解質膜の剥離による水素分離膜型燃料電池の劣化を抑制する技術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】
【０００６】
本発明の一形態による方法は、燃料電池の製造方法であって、
（ａ）水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
（ｂ）前記水素分離膜基材を湾曲させる工程と、  
（ｃ）前記水素分離膜基材の凹面に電解質膜を成膜した水素分離膜／電解質膜接合体を形成する工程と、
（ｄ）前記水素分離膜／電解質膜接合体を燃料電池に組み付ける工程とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この方法によれば、電解質膜の成膜後の工程において、水素分離膜／電解質膜接合体の変形によって電解質膜に圧縮応力が発生する可能性を低減できるため、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性を低減できる。従って、水素分離膜と電解質膜とが剥離することによる水素分離膜型燃料電池の劣化を抑制することができる。
【０００８】
前記工程（ｂ）は、前記水素分離膜の表面を研磨することによって湾曲させる工程を含ものとしても良い。
【０００９】
この方法によれば、研磨によって水素分離膜機材が凹面を有するように水素分離膜基材を容易に湾曲させることができる。従って、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性をさらに低減できる。
【００１０】
前記工程（ｄ）は、前記水素分離膜／電解質膜接合体の曲率を低減させるように前記水素分離膜／電解質膜接合体を変形させた状態で燃料電池に組み付ける工程を含むものとしても良い。
【００１１】
この方法によれば、水素分離膜／電解質膜接合体の曲率を低減させることによって電解質膜の面方向に発生している圧縮応力を低減できる。従って、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性をさらに低減できる。
【００１２】
前記工程（ｄ）は、前記水素分離膜／電解質膜接合体の曲率を変化させることなく、前記水素分離膜／電解質膜接合体を湾曲したままの状態で燃料電池に組み付ける工程を含むものとしても良い。
【００１３】
この方法によれば、燃料電池の組み付け工程において、電解質膜に対してその膜面方向に圧縮応力が発生する可能性を低減できる。また、燃料電池の発電の際に水素分離膜が熱膨張すると、湾曲した水素分離膜／電解質膜接合体は、そのたわみ方向へさらに湾曲する。そのため、水素分離膜の熱膨張によって電解質膜に発生する成膜面方向に働く引張応力は、たわみ方向に働く力によって低減される。従って、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性をさらに低減できる。
【００１４】
本発明の他の形態による方法は、燃料電池の製造方法であって、
（ａ）水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
（ｂ）前記水素分離膜基材を湾曲させる工程と、  
（ｃ）前記水素分離膜基材の凸面に電解質膜を成膜した水素分離膜／電解質膜接合体を形成する工程と、
（ｄ）前記水素分離膜／電解質膜接合体の曲率を変化させることなく、前記水素分離膜／電解質膜接合体を湾曲した状態のままで燃料電池に組み付ける工程とを備えることを特徴とする。
【００１５】
この方法によれば、燃料電池の組み付け工程において、電解質膜に対してその膜面方向に圧縮応力が発生する可能性を低減できる。従って、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性を低減できる。
【００１６】
上記方法において、工程（ｂ）は、前記水素分離膜の表面を研磨することによって湾曲させる工程を含むものとしても良い。
【００１７】
この方法によれば、水素分離膜機材が凸面を有するように水素分離膜基材を容易に湾曲させることができるため、電解質膜との剥離の可能性を容易に低減できる。また、研磨によって表面平滑度を向上させた面に電解質膜を成膜するため、電解質膜の成膜が良好に行える。従って、発電の際に短絡が発生する可能性を低減できる。
【００１８】
本発明のさらに他の形態による方法は、燃料電池の製造方法であって、
（ａ）水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
（ｂ）前記水素分離膜基材の一方の面を研磨する工程と、
（ｃ）前記水素分離膜基材を湾曲することによって、前記水素分離膜基材の曲率を低減させる工程と、
（ｄ）前記水素分離膜基材に電解質膜を成膜した水素分離膜／電解質膜接合体を形成する工程と、
（ｅ）前記水素分離膜／電解質膜接合体を燃料電池に組み付ける工程とを備えことを特徴とする。
【００１９】
この方法によれば、研磨工程によって水素分離膜基材が湾曲した場合であっても、電解質膜の成膜前に水素分離膜基材の曲率を低減できる。従って、電解質膜の成膜後の工程において、水素分離膜基材の変形加工によって電解質膜の膜面方向に生じる圧縮応力を低減でき、水素分離膜基材と電解質膜の剥離の可能性を低減できる。
【００２０】
前記工程（ｃ）は、前記水素分離膜基材の前記工程（ｂ）において研磨されていない面を研磨することによって前記水素分離膜基材の曲率を低減させる工程を含むものとしても良い。
【００２１】
この方法によれば、２度の研磨工程によって、容易に水素分離膜基材の曲率を低減させることができる。従って、水素分離膜基材と電解質膜の剥離の可能性を低減できる。また、研磨工程によって水素分離膜基材の両面の表面平滑度が向上しているため、電解質膜の成膜を良好に行え、発電の際に短絡が発生する可能性を低減できる。
【００２２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
Ａ．水素分離膜の全体構成：
図１は、水素分離膜型燃料電池の概要を説明するための断面概略図である。水素分離膜型燃料電池１００は、膜電極接合体１４と、これを挟持する２つのセパレータ２０、２１とを備えている。膜電極接合体１４は、電解質膜１０と、これを挟持する水素分離型アノード電極層１１及びカソード電極層１２とを備えている。通常は、この水素分離膜型燃料電池１００を積層した水素分離膜型燃料電池スタックが構成される。
【００２４】
電解質膜１０は湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す薄膜である。電解質膜１０の材料としては、例えば、「ＳｒＺｒ0.8Ｉｎ0.2Ｏ3」や、「ＳｒＺｒＯ3」や、「ＢａＣｅＯ３」や、「ＳｒＣｅＯ３」系のセラミックスプロトン伝導体を用いることができる。
【００２５】
水素分離型アノード電極層１１は、水素を選択的に透過することができる薄膜である水素分離膜１１ｆを備える。水素分離膜１１ｆは、例えばパラジウム（Ｐｄ）やＰｄ合金によって形成される。水素分離膜１１ｆには、供給された水素含有ガスが通過する複数の貫通孔が設けられた板形状の支持部材（例えばステンレス鋼）を電解質膜と接しない外面に設けられているものとしても良い。なお、本明細書では、膜電極接合体１４に含まれる構成要素のうち、水素分離膜１１ｆと電解質膜１０とが接合されたものを特に「水素分離膜／電解質膜接合体１３」と呼ぶ。
【００２６】
カソード電極層１２は、金属やセラミックス系の材料によって電解質膜１０に成膜された層である。カソード電極層１２の材料としては、例えば「ＬａＳｒＣｏＯ3」などが採用できる。また、カソード電極層１２には白金（Ｐｔ）等を担持させた電極触媒層が設けられているものとしても良い。
【００２７】
カソードセパレータ２０は、カソード電極層１２に接するように配置されている。カソードセパレータ２０のカソード電極層１２側の面には酸素含有ガスをカソード電極層１２に供給するための複数の溝（カソードガス流路ＣＰ）が設けられている。アノードセパレータ２１は、水素分離膜１１ｆに接するように配置されている。アノードセパレータ２１の水素分離膜１１ｆと接する側の面には水素含有ガスを水素分離膜１１ｆに供給するための複数の溝（アノードガス流路ＡＰ）が設けられている。
【００２８】
２つのセパレータ２０、２１は、水素分離膜型燃料電池１００において水素と酸素の電気化学反応によって発生した電気を集電する機能がある。２つのセパレータ２０、２１は、カーボンや金属などの導電性を有する材料で形成することができる。なお、セパレータは他の構成であっても良い。例えば、セパレータは、複数のプレートを組み合わせた多層式のセパレータとしても良いし、燃料電池を冷却するための冷媒の流路が設けられているセパレータとしても良い。
【００２９】
Ｂ．比較例：
図２〜図３は比較例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図であり、以下にこれらの図を用いて工程順に説明する。なお、水素分離膜型燃料電池の構成や材料は、上述した水素分離膜型燃料電池１００とほぼ同様であり、相違点については適宜説明を付すものとする。
【００３０】
図２（Ａ）は、水素分離膜基材１１ｆの断面を示す概略断面図である。第１工程として上述した水素分離型のアノード電極層を構成する水素分離膜基材１１ｆを準備する。この比較例では、水素分離膜基材１１ｆとして、厚み１μｍ程度で、縦・横の寸法が１７ｍｍ程度の略正方形のパラジウム板（純度９９．９５％）を準備する。
【００３１】
図２（Ｂ）は、第２工程として、水素分離膜基材１１ｆの研磨工程を説明するための説明図である。一般に、水素分離膜基材の表面の平滑度が低いと、後述する電解質膜の成膜工程において、微小穴を有するなど成膜状態の好ましくない電解質膜が形成されるおそれがある。そうした電解質膜を有する燃料電池では、発電の際に短絡が発生する可能性が高くなる傾向にある。そこで、この比較例では、水素分離膜基材１１ｆの一方の面を研磨することによってその研磨面の平滑度を向上させる。
【００３２】
この比較例では、ダイヤスラリーを用いて研磨を行う。また、研磨工程後には、電解洗浄とアルカリ性洗剤超音波洗浄とイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）洗浄と水洗浄とを順に行い、水素分離膜基材１１ｆの表面を清浄化することが好ましい。なお、研磨方法及び洗浄方法は他の方法であっても良い。
【００３３】
なお、この研磨工程においては、図に示す研磨面ＰＳのみが研磨方向（図中の矢印方向）に引き延ばされるため、水素分離膜基材１１ｆが湾曲してしまう。例えば、水素分離膜基材１１ｆは、そのたわみしろｆｄが０．５μｍ〜１ｍｍ程度になるまで湾曲する場合がある。
【００３４】
図２（Ｃ）は、第３工程として、水素分離膜基材１１ｆの研磨面ＰＳに電解質膜１０及びカソード電極層１２を成膜する工程を説明するための説明図である。この第３工程では、水素分離膜基材１１ｆの研磨面ＰＳを一様に被覆するように電解質膜１０を成膜する。これによって水素分離膜／電解質膜接合体１３ａが形成される。また、電解質膜１０の成膜後に、電解質膜１０の表面にカソード電極層１２を成膜する。これによって膜電極接合体１４ａが形成される。これまでの説明からも理解できるように、この比較例の膜電極接合体１４ａは、カソード電極層１２側に凸状に湾曲した形状となる。
【００３５】
電解質膜１０及びカソード電極層１２の成膜方法としては、パルスレーザー蒸着（ＰＬＤ；Pulsed  Laser  Deposition）法を採用することができる。この比較例では、真空中に水素分離膜基材１１ｆを配置して６００度まで昇温した後、酸素の分圧を０．０１ｔｏｒｒ程度とした環境下で成膜を行う。なお、この比較例では、電解質膜１０を膜厚１μｍ程度で成膜し、カソード電極層１２を膜厚２５ｎｍ程度で成膜する。
【００３６】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、第４工程として、膜電極接合体１４ａを２つのセパレータ２０、２１で挟持して水素分離膜型燃料電池１００ａとして組み付ける工程を説明するための説明図である。２つのセパレータ２０、２１は湾曲していない平板状の部材である。そのため、湾曲した膜電極接合体１４ａをその両側からセパレータ２０、２１によって挟持すると（図３（Ａ））、膜電極接合体１４ａは、セパレータ２０、２１に押圧されてその曲率が低減する（図３（Ｂ））。すると、電解質膜１０の内部には、その曲率が低減されたことによって図中の矢印Ｃの方向に向かって圧縮応力が発生する。
【００３７】
このように、比較例の製造工程による水素分離膜型燃料電池１００ａでは、電解質膜１０の内部に圧縮応力が生じた状態となる。以下に、この比較例の製造方法を基に、本発明を適用した実施例としての水素分離膜型燃料電池の製造方法を説明する。
【００３８】
Ｃ．第１実施例：
図４〜図５は、本発明の第一実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。図４〜図５は、以下に説明をする点を除いて、上記比較例で説明した図２〜図３と、ほぼ同じである。
【００３９】
図４（Ａ）は、水素分離膜基材１１ｆの断面を示す概略断面図であり、図２（Ａ）と同じである。本実施例の第１工程として平板状の水素分離膜基材１１ｆを準備する。なお、この水素分離膜基材１１ｆは、その表面が所定の平滑度を有していることが好ましい。
【００４０】
図４（Ｂ）は、本実施例の第２工程として、水素分離膜基材１１ｆを湾曲させる工程を説明するための説明図であり、図２（Ｂ）とほぼ同じである。ここで「湾曲させる」とは、平坦な板状部材を曲率を有するように略瓦形状や略すり鉢形状に加工・変形させることを言う。また、この湾曲工程は、上記比較例の研磨工程のように、水素分離膜基材１１ｆを湾曲させることを主目的としていない工程において水素分離膜基材１１ｆが湾曲してしまう工程を含む。本実施例では、比較例と同様の研磨工程によって、水素分離膜基材１１ｆを湾曲させる。なお、この湾曲工程は、他に、プレス加工などによって水素分離膜基材１１ｆを湾曲させるものとしても良い。
【００４１】
図４（Ｃ）は、本実施例の第３工程として、水素分離膜基材１１ｆの研磨面ＰＳに電解質膜１０及びカソード電極層１２を成膜する工程を説明するための説明図である。図４（Ｃ）は、成膜がなされる面が異なる点以外は、図２（Ｃ）と同様である。即ち、本実施例では、電解質膜１０及びカソード電極層１２は、水素分離膜基材１１ｆの凹面ＤＳ（研磨面ＰＳの反対側の面）に成膜される。従って、本実施例の水素分離膜／電解質膜接合体１３Ａ及び膜電極接合体１４Ａは、水素分離膜基材１１ｆ側に凸状に湾曲した形状となる。
【００４２】
図５（Ａ）、（Ｂ）は、本実施例の第４工程として、膜電極接合体１４ａをセパレータ２０、２１で挟持して水素分離膜型燃料電池１００Ａとして組み付ける工程を説明するための説明図である。図５（Ａ）、（Ｂ）は、比較例の膜電極接合体１４ａに換えて本実施例の膜電極接合体１４Ａが用いられている点以外は、図３（Ａ）、（Ｂ）とほぼ同じである。
【００４３】
本実施例でも比較例と同様に、セパレータ２０、２１は湾曲していない平板状の部材であため、湾曲した膜電極接合体１４Ａをセパレータ２０、２１によって挟持すると（図５（Ａ））、比較例と同様に膜電極接合体１４Ａの曲率が低減する（図５（Ｂ））。しかし、本実施例の膜電極接合体１４Ａは、比較例の膜電極接合体１４ａとは異なり、カソード電極層１２側が凹面となるように湾曲している。そのため、本実施例の水素分離膜型燃料電池１００Ａの電解質膜１０の内部には、膜電極接合体１４Ａの曲率が低減されたことによって図中の矢印Ｔの方向に向かう引張応力が発生する。
【００４４】
図６は、比較例の製造方法によって製造された水素分離膜型燃料電池１００ａと本実施例の製造方法によって製造された水素分離膜型燃料電池１００Ａの発電評価を行った結果を示す表である。発電評価は、具体的に、比較例及び本実施例の水素分離膜型燃料電池１００ａ、１００Ａに、４０°Ｃの水で加湿した水素及び空気をそれぞれアノード電極側及びカソード電極側に供給して発電させることによって行った。なお、本実施例の水素分離膜型燃料電池１００Ａの評価結果は、同一ロットのものに対して３回の発電評価を行った結果の平均値である。一方、比較例の水素分離膜型燃料電池１００ａの評価結果は、５ロットそれぞれについて発電評価を行った結果の平均値である。
【００４５】
この表に示すように、本実施例の水素分離膜型燃料電池１００Ａの平均電流量は０．７５Ａ／ｃｍ2であり、比較例の水素分離膜型燃料電池１００ａの平均電流量は０．６７Ａ／ｃｍ2であった。また、本実施例の水素分離膜型燃料電池１００Ａの評価結果の標準偏差は０．０４Ａ／ｃｍ2であり、比較例の水素分離膜型燃料電池１００ａの評価結果の標準偏差は０．３８Ａ／ｃｍ2であった。即ち、本実施例の水素分離膜型燃料電池１００Ａは比較例の水素分離膜型燃料電池１００ａに比較して、発電効率が向上するとともに、その発電性能のばらつきが低減している。
【００４６】
上記条件下の発電を行った後に、本実施例及び比較例の水素分離膜型燃料電池１００Ａ、１００ａのそれぞれの水素分離膜／電解質膜接合体１３Ａ、１３ａの状態を調べたところ、比較例の水素分離膜型燃料電池１００ａにおいては、水素分離膜基材１１ｆと電解質膜１０とが２０％の確率で剥離を生じていることが解った。
【００４７】
これらの結果から考察すると、比較例の水素分離膜型燃料電池１００ａにおいては、上述したとおり電解質膜１０に圧縮応力が発生しているため、電解質膜１０と水素分離膜基材１１ｆとの剥離が生じたものと推測することができる。また、比較例の水素分離膜型燃料電池１００ａは、その圧縮応力のために発電効率の低下及び発電性能のばらつきが生じたものと推測できる。
【００４８】
比較例の製造方法では、本電解質膜１０の成膜後の工程において、電解質膜１０に対して膜面方向に働く圧縮応力が発生していたが、本実施例では、電解質膜１０に引張応力を発生させている。従って、本実施例の製造方法によれば、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性が低減され、水素分離膜型燃料電池の発電効率を向上するとともに、その発電性能のばらつきを低減できる。
【００４９】
Ｄ．第２実施例：
本発明の第２実施例として水素分離膜型燃料電池の製造方法を説明する。第２実施例の第１工程〜第３工程は、第１実施例の第１工程〜第３工程（図４（Ａ）〜（Ｃ））と同じであるため説明を省略する。即ち、第２実施例では、第１実施例と同じ膜電極接合体１４Ａを製造して用いる。
【００５０】
図７（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施例の第４工程として、膜電極接合体１４Ａをセパレータ２０ａ、２１ａで挟持して水素分離膜型燃料電池１００Ｂとして組み付ける工程を説明するための説明図である。図７（Ａ）、（Ｂ）は、セパレータ２０、２１に換えて、形状の異なるセパレータ２０ａ、２１ａを用いている点以外は、第１実施例で説明した図５（Ａ）、（Ｂ）とほぼ同じである。
【００５１】
第２実施例のセパレータ２０ａ、２１ａは湾曲した平板状の部材である。具体的には、カソードセパレータ２０ａは、カソードガス流路ＣＰが設けられた側に凸状に湾曲している。アノードセパレータ２１ａは、アノードガス流路ＡＰが設けられた側に凹状に湾曲している。なお、２つのセパレータ２０ａ、２１ａは、膜電極接合体１４Ａとほぼ同じ曲率を有している、即ち、ほぼ同じたわみしろを有していることが好ましい。
【００５２】
このような構成とすれば、カソード電極層１２側が凹状に湾曲した膜電極接合体１４Ａを、同様に湾曲したセパレータ２０ａ、２１ａによって挟持するため（図７（Ａ））、膜電極接合体１４Ａの曲率の変化は抑制される（図７（Ｂ））。即ち、第２実施例の水素分離膜型燃料電池１００Ａの電解質膜１０は、膜電極接合体１４Ａの曲率の変化による内部応力の発生が抑制される。従って、第２実施例の製造方法によって製造された水素分離膜型燃料電池１００Ｂは、比較例の水素分離膜型燃料電池１００ａと比較して、水素分離膜基材１１ｆと電解質膜１０との剥離が抑制されて、発電効率が向上するとともに、その発電性能のばらつきも低減さる。
【００５３】
さらに、第２実施例の構成によれば次のような効果が得られる。燃料電池では一般に、発電の際に、その反応熱によって発電部の中央に近い部位ほど温度が高くなる傾向にある。また、水素分離膜基材１１ｆは、電解質膜１０よりも熱膨張率が高い。即ち、水素分離膜型燃料電池は、発電の際に発電部の中央に近い部位ほど電解質膜中に応力が発生しやすい傾向にあると言える。しかし、第２実施例のように、水素分離膜型燃料電池自体が曲率を有することによってたわんでいれば、例え発電によって水素分離膜基材が熱膨張しても、そのたわみ方向へと水素分離膜型燃料電池自体がさらにたわむこととなる。そのため、発電部中央付近において特に、電解質膜の面方向に働く引張応力が分散・低減される。従って、さらに電解質膜と水素分離膜基材との剥離の可能性が低減される。
【００５４】
なお、この効果は、水素分離膜が、水素伸びによって膨張する場合にも同様に得られる。ここで、「水素伸び」とは、水素分離膜型燃料電池の使用時に、水素分離膜が水素の移動方向と直交する方向に膨張する現象をいう。
【００５５】
Ｅ．第３実施例：
図８は本発明の第３実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。第３実施例の第１工程〜第３工程は、比較例の第１工程〜第３工程（図２（Ａ）〜（Ｃ））と同じであるため説明を省略する。即ち、第３実施例では、比較例と同じ膜電極接合体１４ａを製造して用いる。
【００５６】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、第３実施例の第４工程として、膜電極接合体１４ａをセパレータ２０ｂ、２１ｂで挟持して水素分離膜型燃料電池１００Ｂとして組み付ける工程を説明するための説明図である。図８（Ａ）、（Ｂ）は、セパレータ２０、２１に換えて、形状の異なるセパレータ２０ｂ、２１ｂを用いている点以外は、比較例で説明した図３（Ａ）、（Ｂ）とほぼ同じである。
【００５７】
図８と図７とを比較すれば理解できるように、第３実施例は、第２実施例と湾曲の向きを逆にしたものである。この第３実施例によっても、膜電極接合体１４Ｂの曲率の変化による内部応力の発生が抑制され、上述した第２実施例と同様な効果を得ることができる。さらに、この第３実施例では、研磨工程によって表面平滑度が向上した面に電解質膜１０を成膜している。従って、第２実施例よりも電解質膜１０の成膜状態が良好となるため、発電の際に短絡が発生する可能性が低減されている。
【００５８】
Ｆ．第４実施例：
図９（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第４実施例とし水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。第４実施例の第１工程（図９（Ａ））は、第１実施例の第１工程（図２（Ａ））と同じであるため説明を省略する。第４実施例では、水素分離膜基材１１ｆの湾曲工程として図９（Ｂ）、図９（Ｃ）に示す２回の湾曲工程を行う。
【００５９】
図９（Ｂ）に示す第１の湾曲工程では、第１実施例と同様の研磨工程が実行される（第１研磨工程）。この第１研磨工程によって研磨された面を「第１の研磨面ＰＳ１」と呼ぶ。図９（Ｃ）に示す第２の湾曲工程では、第１の湾曲工程とは逆に水素分離膜基材１１ｆを湾曲させることによって、水素分離膜基材１１ｆを第１工程の段階（図９（Ａ））と同様な湾曲していない平板状に戻す。具体的には、例えば、第１の研磨面ＰＳ１とは逆の面に対して、第１研磨工程と同様の研磨工程が実行されるものとしても良い（第２研磨工程）。この第２の研磨工程によって研磨された面を「第２の研磨面ＰＳ２」と呼ぶ。この第２の湾曲工程としては、第２の研磨工程の他に、例えば、圧延加工などによって水素分離膜基材１１ｆを湾曲していない状態に戻す工程が実行されるものとしても良い。
【００６０】
図９（Ｄ）は、第４実施例の第３工程として、水素分離膜基材１１ｆの第１の研磨面ＰＳ１に電解質膜１０及びカソード電極層１２を成膜する工程を説明するための説明図である。電解質膜１０は、水素分離膜基材１１ｆの第１の研磨面ＰＳ１に成膜されて水素分離膜／電解質膜接合体１３Ｃが形成される。水素分離膜／電解質膜接合体１３Ｃの電解質膜１０の外表面には、さらに、カソード電極層１２が成膜されて膜電極接合体１４Ｃが形成される。なお、第２の湾曲工程を第２の研磨工程によって行われた場合には、電解質膜１０及びカソード電極層１２は、第２の研磨面ＰＳ２に成膜されるものとしても良い。
【００６１】
このように製造された膜電極接合体１４Ｃは、第１実施例で説明した湾曲していない平板状のセパレータ２０、２１（図５（Ａ）、（Ｂ））によって挟持されることによって、湾曲していない状態で燃料電池として組み付けられる。
【００６２】
第４実施例の製造方法によれば、成膜工程の前に、水素分離膜基材１１ｆが湾曲していない平板状に加工されているため、成膜後の工程において、電解質膜１０に圧縮応力が発生することを抑制できる。従って、水素分離膜基材１１ｆと電解質膜１０との剥離の可能性を低減できる。また、研磨工程を経た面に対して電解質膜１０が成膜されるため、第３実施例と同様に、発電の際に短絡が発生する可能性を低減できる。
【００６３】
Ｇ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６４】
Ｇ１．変形例１：
上記第１実施例においては、膜電極接合体１４Ａを、セパレータ２０、２１で挟持することによって、その曲率を低減させていたが、他の方法によって曲率を低減させるものとしても良い。例えば、プレス加工によって膜電極接合体１４Ａの曲率を低減させるものとしても良い。
【００６５】
Ｇ２．変形例２：
上記第１実施例の第４工程においては、膜電極接合体１４Ａを、その曲率を低減して湾曲していない平板状の状態で燃料電池に組み付けていたが、平板状になるまで曲率を低減することなく、湾曲した状態で燃料電池に組み付けるものとしても良い。また、膜電極接合体１４Ａを、カソード電極層１２側に凸状に湾曲するまで曲率を変化させて燃料電池に組み付けるものとしても良い。
【００６６】
Ｇ３．変形例３：
上記第２実施例及び第３実施例においては、膜電極接合体１４ａ、１４Ａを、湾曲したセパレータ２０ａ、２１ａ、２０ｂ、２１ｂによって挟持していたが、セパレータ等の部材で挟持しなくとも良い。例えば、膜電極接合体１４ａ、１４Ａを、湾曲した板状部材の上に、湾曲した状態で配置するのみの構成とした発電モジュールとして発電を行うものとしても良い。
【００６７】
Ｇ４．変形例４：
上記第４実施例においては、第２の湾曲工程によって水素分離膜基材１１ｆを湾曲していない平板状に戻していたが、水素分離膜基材１１ｆは第２の湾曲工程の後も多少湾曲した状態であっても良い。だたし、第２の湾曲工程によって、第１の湾曲工程の後の水素分離膜基材１１ｆの曲率が低減されていることが好ましい。この場合には、第２及び第３実施例で説明した湾曲したセパレータ２０ａ、２１ａ、２０ｂ、２１ｂによって挟持されるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】水素分離膜型燃料電池の構成を説明するための概略断面図である。
【図２】比較例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。
【図３】比較例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。
【図４】第１実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。
【図５】第１実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。
【図６】比較例及び第１実施例の水素分離膜型燃料電池の発電評価の結果を示す表である。
【図７】第２実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。
【図８】第３実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。
【図９】第４実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…電解質膜
１１…水素分離型アノード電極層
１１ｆ…水素分離膜基材
１２…カソード電極層
１３、１３ａ、１３Ａ、１３Ｃ…水素分離膜／電解質膜接合体
１４、１４ａ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ…膜電極接合体
１４Ａ…膜電極接合体
２０、２０ａ、２０ｂ…カソードセパレータ
２１、２１ａ、２１ｂ…アノードセパレータ
１００、１００ａ、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ…水素分離膜型燃料電池
ＡＰ…アノードガス流路
ＣＰ…カソードガス流路
ＤＳ…凹面
ＰＳ…研磨面
ＰＳ１…第１の研磨面
ＰＳ２…第２の研磨面
【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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【図８】
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【図９】
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