(57)【要約】【課題】  十分な機械的耐久性を与え、且つ電化質の膨潤の影響を受けにくい、ＰＥＭ燃料電池の製造方法及びシステムを提供する。【解決手段】  本発明の電解質（４００）を製造する方法は、帯電した電極（２４０又は２７０）に基材（２５０）を結合させるステップと、前記基材（２５０）上に重合体電解質（４００）を電着させるステップとを含んで成る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電した電極（２４０又は２７０）に基材（２５０）を結合させるステップと、
前記基材（２５０）上に重合体電解質（４００）を電着させるステップと、
を包含する、電解質を製造する方法。
【請求項２】
前記基材（２５０）が、導電性多孔質基材を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
多孔質基材（２５０）と、
前記多孔質基材（２５０）内に配置されている重合体電解質（４００）と、
からなり、前記重合体電解質（４００）が前記多孔質基材（２５０）内に電着されている、電解質（４００）。
【請求項４】
前記重合体電解質（４００）が、パーフルオロスルホン酸塩イオノマー（４２０）を含む、請求項３に記載の電解質（４００）。
【請求項５】
空気極（１６０）と、
燃料極（１４０）と、
前記燃料極（１４０）及び前記空気極（１６０）の間に配置されている電解質（４００）と、
からなり、前記電解質（４００）が、基材（２５０）と、前記基材（２５０）上に電着された重合体電解質（４００）とを含む、燃料電池（１００）。
【請求項６】
前記重合体電解質（４００）が、パーフルオロスルホン酸塩イオノマー（４２０）を含む、請求項５に記載の燃料電池（１００）。
【請求項７】
ハウジング（１１０）と、
前記ハウジング（１１０）内に配置されている燃料電池（１００）と、
前記燃料電池（１００）内に配置されている電解質（４００）と、
からなり、前記電解質（４００）が、基材（２５０）と、前記基材（２５０）上に電着された重合体電解質（４００）とを含む、電気化学装置。
【請求項８】
前記基材（２５０）が、多孔質基材（２５０）である、請求項７に記載の電気化学装置。
【請求項９】
電力消費装置に電力を供給する電気化学電池と、
燃料源（１２０）と、
前記電気化学電池と前記燃料源（１２０）とを流体連通させる燃料流路と、
からなり、前記電気化学電池が、ハウジング（１１０）、前記ハウジング（１１０）内に配置されている燃料電池（１００）、前記燃料電池（１００）内に配置されている電解質（４００）からなり、前記電解質（４００）が、基材（２５０）と、前記基材（２５０）上に電着された重合体電解質（４００）とを含む、電子装置。
【請求項１０】
前記基材（２５０）が、多孔質基材（２５０）である、請求項９に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池に関し、より詳細には、電着を利用する電解質の製造システム及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去数年間で、大規模発電用及び小規模発電用両方の燃料電池の人気と実現性が大幅に高まった。燃料電池は、水素や酸素などの化学物質間で電気化学反応を実施して、電気と熱を生成する。燃料電池は、使用し得るエネルギーを蓄えるバッテリとは異なり、使用し得るエネルギーを生成し、消費した燃料を補充するだけで容易に「充電」される。さらに、燃料電池は、炭化水素を燃焼させる装置よりも清浄且つ静かである。
【０００３】
燃料電池は、電気モータ、ライト、コンピュータ、又は多数の電気機器に使用し得る直流（ＤＣ）電圧をもたらす。異なる化学的性質を利用するいくつかの異なるタイプの燃料電池があるが、一般的には、燃料電池は、燃料極、空気極、及び電解質という３つの構成要素からなる。燃料電池は、通常、用いる電解質の種類によって、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、及び溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、プロトン交換膜形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の５つのグループのいずれかに分類される。ＰＥＭＦＣ技術の１つの変更形態には、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）が含まれ、当該燃料電池では、燃料として液体メタノールが燃料電池に直接供給される。
【０００４】
ＰＥＭＦＣは、一般的に、燃料極に水素を供給することで機能する。水素は、電解質にプロトンを与え、電子を放出する。当該電子は、外部回路を通って、燃料極の反対側に配置されている空気極に達する。プロトンは、水分子と溶媒和になり、膜を通って空気極へと拡散する。空気極において、プロトンは、電子を捕捉した酸素と反応して、水になる。ＰＥＭＦＣは、他の燃料電池よりも優れたいくつかの固有の利点を有する。例えば、ＰＥＭＦＣは、極めて高い出力密度（効率４０％〜６０％）、極めて低い作動温度（摂氏約８０度）を有する。さらに、ＰＥＭＦＣは、こぼれたり漏れたりする可能性のある危険な化学薬品を利用していない。そのような特質を有しているため、ＰＥＭＦＣは、極めて安全であり、且つ保守要件が低い。
【０００５】
従来、ＰＥＭＦＣのプロトン交換膜（ＰＥＭ）は、接着層を用いて、固体半透膜を電極層に付着させることによって構成されてきた。次いで、膜−接着層電極のスタックを熱をかけた状態で圧縮し、層を結合させていた。しかしながら、従来のＰＥＭ燃料電池の製造方法は、機械的耐久性が低くなる傾向があり、また電解質の膨潤（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）の影響を受けやすいという問題を抱えていた。電解質の膨潤は、燃料のクロスオーバーを増大させ、結果、燃料電池の燃料効率を低下させることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、十分な機械的耐久性を与え、且つ電解質の膨潤の影響を受けにくい、ＰＥＭ燃料電池の製造方法及びシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、電解質を製造する方法は、帯電した電極に基材を結合させるステップと、重合体電解質を基材上に電着させるステップからなる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の製造方法及びシステムによって製造された燃料電池は、機械的耐久性が向上しており、且つ電解質の膨潤の影響を受けにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
添付の図面は、本発明の種々の実施形態を示すものであり、本明細書の一部である。例示する実施形態は、本発明を単に例示するものであり、本発明の適用範囲を限定するものではない。また、図面全体にわたって、同じ符号は、少なくとも類似ではあるが必ずしも同一とは限らない要素を示す。
【００１０】
本明細書では、燃料電池内の膨潤の可能性を低減させるとともに、構造的サポートを高める電解質を形成するための装置並びに方法が開示される。例示的な一実施形態（より詳しく後述する）により、多孔質基材上に重合体電解質を電着する方法を示す。多孔質基材上に重合体電解質を電着するシステム及び方法は、単に説明を容易にするために、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）をはじめとするプロトン交換膜形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）を例にとって説明する。しかしながら、本明細書に示す装置及び方法を用いることによって、任意の種類の燃料電池用電解質を形成し得ることを理解されたい。
【００１１】
本明細書及び添付の特許請求の範囲の両方において、用語「電着」とは、材料の溶液又は懸濁液に電流を通すか又は電界を印加することによって、電極に材料を析出させることを意味する。同様に、用語「電解質」とは、水に溶解しているとき又は水と接触しているときにイオン伝導性を示す固体物質又は液体物質を意味する。燃料電池に用いられる固体電解質のうちの１つは、パーフルオロスルホン酸重合体である。
【００１２】
以下、説明の目的で、本発明の電解質の製造方法及び装置に関する完全な理解をもたらすために、多数の特定の詳細例を説明する。しかしながら、電解質製造方法及び装置が、そのような特定の詳細例なしに実施できることは当業者には明らかであろう。本明細書において「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」を参照するとき、当該実施形態と関連して説明される特定の機能、構造又は特徴は、本発明の多数の実施形態のうちの少なくとも１つの実施形態に含まれるものである。本明細書において度々現れる「一実施形態では」という句は、必ずしも全て同じ実施形態を意味するとは限らない。
【００１３】
例示的構造
図１は、例示的な一実施形態によるプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）（１００）の断面図を示している。図１に示すように、ＰＥＭＦＣ（１００）は、膜／電極アセンブリ（ＭＥＡ）を包囲（収容）するハウジング（１１０）を備え得る。図１に示すように、ＭＥＡは、プロトン交換膜（ＰＥＭ）（１５０）を包囲する燃料極（１４０）及び空気極（１６０）を備え得る。触媒（１７０）もまた、燃料極（１４０）とＰＥＭ（１５０）との境界並びに空気極（１６０）とＰＥＭ（１５０）との境界に配置されている。図１に示すように、燃料極（１４０）と空気極（１６０）は、電気負荷（１８０）に電気的に接続することができる。
【００１４】
図１に示すＰＥＭＦＣ（１００）のハウジング（１１０）は、多数のチャンバを形成するよう構成することができる。ハウジング（１１０）によって構成されたチャンバは、図１に示すように、燃料（１２０）を燃料極（１４０）に供給し、酸素（１３０）を空気極（１６０）に供給することができる。作動（運転）時には、燃料（１２０）、一般的に水素、が燃料極（１４０）に供給され、そこで、触媒作用によって、プロトン及び電子に分解される。電子は、燃料極（１４０）から外部回路又は負荷（１８０）に送られ、ＰＥＭＦＣ（１００）の空気極（１６０）に戻される。空気極に戻った電子は、空気極に供給された酸素（１３０）と結合する。プロトンは、水分子と溶媒和し、プロトン交換膜（１５０）を通過し、空気極（１６０）に達する。次いで、プロトンは、酸素と結合して水分子（１９０）となる。
【００１５】
ＰＥＭ（１５０）は、前述のプロセスの極めて重要な部分を構成している。ＰＥＭ（１５０）は、前述のプロトンを輸送することができ、また、燃料極（１４０）側と空気極（１６０）側間のガスのクロスオーバーに対する耐性をもたらす。ＰＥＭ（１５０）は、限定はしないが、パーフルオロスルホン酸塩イオノマー膜などの固体重合体電解質膜をはじめとする、任意の材料から構成することができる。市販されているパーフルオロスルホン酸塩イオノマー膜の例として、ＮＡＦＩＯＮ、ＦＬＥＭＩＯＮ、及びＤＯＷ  ＸＵＳが挙げられる。
【００１６】
従来のＰＥＭ（１５０）の製造法、並びにＰＥＭ（１５０）を電極膜（１４０、１６０）に接合する方法には、ホットプレス法が包含され、それは、パーフルオロスルホン酸塩イオノマーを、完全に水和した状態から少し脱水された状態にするものであった。このような従来法では、ＰＥＭＦＣ（１００）の作動時に、パーフルオロスルホン酸塩イオノマーが再び水和され、ＰＥＭ（１５０）の膨潤と構造的不安定性が生じる場合があった。パーフルオロスルホン酸塩イオノマーの水和によって引き起こされる膨潤及び／又は構造的不安定性に起因して、ＰＥＭＦＣ（１００）内で、燃料クロスオーバーが増大することがあった。本明細書及び特許請求の範囲の両方において、燃料クロスオーバーとは、燃料電池膜を横切る未反応燃料又は部分的に反応した燃料に起因する寄生損失を意味し、それは、望ましくない寄生反応につながり得るものである。この燃料の損失は、事実上、ＰＥＭＦＣ（１００）の全体効率を低下させる。燃料クロスオーバーによって失われ得る未反応燃料又は部分的に反応した燃料には、限定はしないが、メタノール（ＤＭＦＣ内）、イソプロパノール、エタノール、又は燃料クロスオーバーの起こる燃料電池に使用され得る他の任意の燃料が含まれる得る。
【００１７】
図２は、膨潤及び構造的不安定性を軽減させ得るように、導電性多孔質基材上に重合体電解質を付着させることができよう構成された電着システムの断面図を示している。図２に示すように、電着システム（２００）は、正リード線（２８０）と負リード線（２２０）の両方を有する電源（２１０）を備えることができる。正リード線（２８０）は、正に帯電した電極（２７０）に電気的に接続されている。これと同様に、負リード線（２２０）は、導電性多孔質基材（２５０）に電気的に接続されている負に帯電した電極（２４０）に電気的に接続されている。また、図２に示す電着システムは、正に帯電した電極（２７０）、負に帯電した電極（２４０）、及び多孔質基材が、重合体電解質溶液（２６０）の満たされた容器（２３０）に浸されていることも示している。
【００１８】
図２に示す電源（２１０）は、重合体電解質を電着するための電界を生成するのに十分な電圧を電極（２７０、２４０）に与えることのできる直流（ＤＣ）電源である。さらに、電極（２７０、２４０）と電源（２１０）とを電気的に接続している正リード線（２８０）及び負リード線（２２０）には、限定はしないが、導電性信号線又は導電性ストラップをはじめとする、電源から電極にＤＣ信号を送ることのできる任意の導電体を用いることができる。
【００１９】
図２に示す導電性多孔質基材（２５０）は、重合体電解質を受容し、プロトンの透過を容易にするよう構成された多数の細孔（２５５）を含み得る。図２に示す導電性多孔質基材（２５０）は、ＰＥＭに対する機械的サポートをもたらし、それは、前述のプロトンの流れを過度に制限しないのに十分な細孔を有し得る任意の導電性基材から構成することができる。当該導電性基材として、限定はしないが、ステンレス鋼綿、多孔質ステンレス鋼などが挙げられる。さらに、当該電着システム及び方法は、多孔質基材に限定されるものではない。当該電着システム及び方法は、稠密な非多孔質基材を用いて実施することもできる。
【００２０】
図２に示す重合体電解質溶液（２６０）は、電着プロセスの段階に応じて、パーフルオロスルホン酸塩イオノマーの帯電粒子（図４Ａの４００）及び帯電イオン（図４Ｃの４２０）のどちらも含むことができる。
【００２１】
例示的な実施形態及び作動
図３は、図２記載の装置を用いて導電性多孔質基材上に重合体電解質を電着させる方法の例示的な実施形態を示すブロック図である。図３に示すように、電着プロセスは、多孔質導電性基材を、負に帯電した電極に電気的に接続することによって、開始することができる（ステップ３００）。負に帯電した電極と基材を電気的に接続すると、帯電した重合体電解質粒子の電気泳動付着が多孔質導電性基材上で起こり得る（ステップ３１０）。電気泳動付着プロセスの後に、基材の外表面を必要に応じて後処理し（別名、付着後処理（ｐｏｓｔ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｔｒｅａｔｅｄ））（ステップ３２０）、電解析出プロセスが基材上で起こり得る（ステップ３３０）。電解析出プロセスが完了したら、基材を、負に帯電した電極から取り外し（ステップ３４０）、膜／電極アセンブリ（ＭＥＡ）に組み込む（ステップ３５０）。以下、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを参照して、図３記載の例示的な方法をさらに詳しく説明する。
【００２２】
先述のように、導電性多孔質基材上への重合体電解質の電着は、導電性多孔質基材を、負に帯電した電極に接続することによって開始する（ステップ３００）。図４Ａに示すように、前述の電気的接続は、電気リード線（２２０）を負に帯電した電極（２４０）から導電性多孔質基材（２５０）に接続することによって実施し得る。図４Ａに示すように、電気リード線は、負に帯電した電極（２４０）と導電性多孔質基材（２５０）との間に隙間を作るよう構成することができる。この隙間によって、電気泳動付着プロセスが容易に進行し得る（図３のステップ３１０）。
【００２３】
導電性多孔質基材と負に帯電した電極とを電気的に接続すると（図３のステップ３００）、帯電した重合体電解質粒子の電気泳動付着が起こり得る（図３のステップ３１０）。図４Ａは、導電性多孔質基材（２５０）上に帯電した重合体電解質粒子（４００）を電気泳動付着させるプロセスを示している。図４Ａに示すように、正に帯電した電極（２７０）、負に帯電した電極（２４０）、及び導電性多孔質基材（２５０）は全て、正に帯電した重合体電解質粒子（４００）を含む重合体電解質溶液（２６０）中に配置されている。
【００２４】
直流電源が、電源（２１０）から電極（２４０、２７０）に、続いて導電性多孔質基材（２５０）に供給されるとき、電解質（２６０）中にある正に帯電した重合体電解質粒子（４００）は、正に帯電した電極（２７０）から導電性多孔質基材（２５０）の方に静電的に加速される。正に帯電した重合体電解質粒子（４００）は、細孔（２５５）に詰まり、図４Ａに示すように、導電性多孔質基材（２５０）の外表面を取り囲むことができる。負に帯電した電極（２４０）と導電性多孔質基材との間に形成された隙間によって、正に帯電した重合体電解質粒子（４００）は、導電性多孔質基材（２５０）の外表面全体を取り囲むことができる。細孔（２５５）の充填及び導電性多孔質基材（２５０）外表面の包囲は、正に帯電した重合体電解質粒子（４００）と導電性多孔質基材（２５０）間の電荷の差異に起因する電荷移動によって起こり得る。
【００２５】
導電性多孔質基材上における正に帯電した重合体電解質粒子の電気泳動付着の実施後に（図３のステップ３１０）、必要に応じて、導電性多孔質基材（２５０）を後処理して、導電性多孔質基材外表面に形成された重合体電解質粒子（４００）を除去することができる（図３のステップ３２０）。外表面の重合体電解質粒子（４００）を除去することは、電解質の表面仕上がりを改善し、それによって燃料極（図１の１４０）及び／又は空気極（図１の１６０）への接着性が改善されるため望ましい。図４Ｂに示すように、重合体電解質粒子層（４００）は、粉砕機などの機械装置（４１０）によって導電性多孔質基材（２５０）から除去することができる。あるいはまた、重合体電解質粒子（４００）は、任意の適切な化学的又は研磨プロセスによって、導電性多孔質基材（２５０）外表面から除去することもできる。重合体電解質粒子の除去は、導電性多孔質基材（２５０）が負に帯電した電極（図４Ａの２４０）に電気的に接続されている間に実施することができる。又は、導電性多孔質基材（２５０）を負に帯電した電極（図４Ａの２４０）から電気的に切り離し、その後で図４Ｂに示すように重合体電解質粒子（４００）を除去することができる。
【００２６】
導電性多孔質基材（２５０）の外表面を十分に後処理したら、帯電した重合体電解質イオンの電解析出を実施することができる（図３のステップ３３０）。図４Ｃに示すように、帯電した重合体電解質イオンの電解析出は、導電性多孔質基材（２５０）を負に帯電した電極（２４０）に電気的に接続し、且つそれらと正に帯電した電極（２７０）を、帯電したパーフルオロスルホン酸塩イオノマー（４２０）イオンを含む重合体電解質溶液（２６０）の満たされた容器（２３０）に浸すことにより実施される。
【００２７】
直流電源が、電源（２１０）から電極（２４０、２７０）、続いて導電性多孔質基材（２５０）に供給されるとき、電解質（２６０）中の正に帯電した重合体電解質イオン（４２０）は、正に帯電した電極（２７０）から導電性多孔質基材（２５０）の方に静電的に加速される。正に帯電した重合体電解質イオン（４２０）は、図４Ｃに示すように、導電性多孔質基材（２５０）の外表面を被覆し完全に絶縁する。正に帯電した重合体電解質イオン（４２０）と導電性多孔質基材（２５０）の間の電荷の差異に起因する電荷移動によって、正に帯電した重合体電解質イオン（４２０）は導電性多孔質基材に付着することがある。
【００２８】
任意の機械加工プロセスの後の導電性多孔質基材（２５０）外表面の絶縁（図３のステップ３２０）は、電解質を含む燃料電池のＭＥＡの「短絡」を防ぐために実施される。空気極（図１の１６０）及び燃料極（図１の１４０）と結合されるとき、もし完全に絶縁されていない導電性多孔質基材（２５０）表面があれば、それは、燃料極（図１の１４０）と空気極（図１の１６０）との間の電気導管として機能し、外部回路（図１の１８０）への電子の放出を妨げてしまう。このような短絡を、導電性多孔質基材外表面の電解析出によって防止するのである（ステップ３３０による）。
【００２９】
導電性多孔質基材（２５０）外表面に電解析出を実施すると、電解質の形成が完了する。その結果、電解質を重合体電解質溶液（２６０）から取り出し、負に帯電した電極から切り離すことができる（ステップ３４０）。取り出した後に、電解質を、燃料極（図１の１４０）、空気極（図１の１６０）、及び触媒（図１の１７０）と結合させて、図１に示すような燃料電池に組み込み得る膜／電極アセンブリ（ＭＥＡ）を構成することができる（ステップ３５０）。
【００３０】
前述の方法によって構成されたＭＥＡは、燃料電池に組み込まれたときいくつかの利点を有する。第一に、電解質に導電性多孔質基材（図４Ａの２５０）を組み込むことによって、ＭＥＡに構造完全（耐久）性（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）が賦与される。さらに、重合体電解質材料が、実質的に導電性多孔質基材の多孔質空間内に制限されるため、発電プロセス中に生じ得る膨潤の程度は、使用される重合体電解質材料の量、並びに導電性多孔質基材によって賦与される膨潤に対する耐性という両方の因子によって制限される。さらに、前述のプロセスでは、水溶液中でほとんど熱が加えられない状態で重合体電解質材料が形成されるため、重合体電解質が脱水される可能性が減少する。重合体電解質の脱水される可能性が減少することで、特に電解質層の接着、全体の機械的完全（耐久）性、及び燃料クロスオーバーの起こり易さの点で、作動時のＭＥＡ再水和プロセスによる有害な影響を軽減させ得る。
【００３１】
代替実施形態
図５に示す一代替実施形態によれば、非導電性多孔質基材（５５０）上に重合体電解質を付着させるように電着システムを構成し得る。図５に示すように、非導電性多孔質基材（５５０）上に重合体電解質を付着させるよう構成された電着システムは、正に帯電した電極（５７０）と負に帯電した電極（５４０）に電気的に接続されている、直流電源を供給し得る電源（５１０）を備える。電極（５４０、５７０）は、正の電気リード線（５８０）と負の電気リード（５２０）を介して、電源（５１０）に電気的に接続することができる。電気リード線（５２０、５８０）には、限定はしないが、電源（５１０）から電極（５４０、５７０）に電荷を送ることができる、信号線又は導電性ストラップをはじめとする任意の導電体を用いることができる。
【００３２】
負に帯電した電極は、非導電性多孔質基材（５５０）を負に帯電した電極（５４０）に接続するための複数の固定ブラケット（５９０）を備え得る。図５に示す固定ブラケットには、限定はしないが、非導電性基材を負に帯電した電極（５４０）に固定するよう構成された、接着剤や、ねじ、つめ、タブなどの機械装置をはじめとする任意の装置を用いることができる。また、図５に示す代替実施形態では、正に帯電した基材（５７０）及び負に帯電した基材（５４０）が、それらと結合している構成要素（５５０、５９０）と共に、重合体電解質溶液（５６０）を含む容器（５３０）内に配置されていることを示している。
【００３３】
図６に、図５の電着システムの使用法を示している。図６に示すように、非導電性多孔質基材上への重合体電解質の電着は、非導電性多孔質基材を負に帯電した電極に物理的に結合するステップ（ステップ６００）、非導電性多孔質基材への電気泳動付着プロセスを実施するステップ（ステップ６１０）、及び燃料電池に組み込み得るように非導電性多孔質基材を負に帯電した電極から取り外すステップ（ステップ６２０）を包含する。次に、図６の方法を、図７Ａ及び図７Ｂを参照して詳細に説明する。
【００３４】
前述のように、非導電性多孔質基材上への重合体電解質の電着は、非導電性多孔質基材を負に帯電した電極に物理的に結合することにより開始される（ステップ６００）。非導電性多孔質基材（図５の５５０）への負に帯電した電極（図５の５４０）の結合は、限定はしないが、非導電性多孔質基材を負に帯電した電極に一時的に固定し得る、接着剤、タブやねじなどの機械的留具、又はこれらの任意の適切な組み合わせをはじめとする任意の機械的又は化学的手段によって実施することができる。
【００３５】
非導電性多孔質基材を負に帯電した電極に物理的に結合したら、基材への電気泳動付着プロセスを実施することができる（ステップ６１０）。図７Ａに示すように、正に帯電した電極（５７０）と負に帯電した電極（５４０）を、それらと結合している全ての構成要素（５５０、５９０）と共に、多数の正に帯電した重合体電解質粒子（７００）を含む重合体電解質溶液（５６０）に浸漬させる。例示的な一実施形態によれば、正に帯電した重合体電解質粒子（７００）には、パーフルオロスルホン酸塩イオノマーを用いることができる。
【００３６】
図７Ｂは、さらに、非導電性多孔質基材への電気泳動付着がどのように行われるかを示している（ステップ６１０）。図７Ｂに示すように、電源（５１０）が、正及び負の電極（５７０、５４０）に電流を供給するとき、帯電した重合体電解質粒子（７００）を正に帯電した電極から反発させ且つ負に帯電した電極（５４０）の方へ引き寄せる電界が、重合体電解質溶液（５６０）中に生じる。電界が印加されると、帯電した重合体電解質粒子（７００）は、負に帯電した電極（５４０）の方に、即ち、非導電性多孔質基材（５５０）の方に加速される。重合体電解質粒子（７００）が非導電性多孔質基材（５５０）と接触すると、基材の細孔内に重合体電解質粒子（７００）が析出する。しかしながら、非導電性多孔質基材（５５０）は導電材料で作成されていないため、負に帯電した電極（５４０）の負電荷は、非導電性多孔質基材内を通らない。従って、非導電性多孔質基材（５５０）上面は、重合体電解質粒子（７００）で被覆されず、基材を機械的に処理する必要はない。さらに、図３に示すプロセスとは異なり、非導電性多孔質基材は、燃料電池ＭＥＡを短絡させないため、重合体電解質イオンの電解析出物を有する非導電性多孔質基材（５５０）を完全に絶縁する必要はない。
【００３７】
非導電性多孔質基材の細孔が重合体電解質で満たされると、電解質の形成が完了する。その結果、非導電性多孔質基材を、負に帯電した電極から取り外し（図６のステップ６２０）、次に、燃料極（図１の１４０）、空気極（図１の１６０）、及び触媒（図１の１７０）と結合させて、図１に示すような燃料電池に組み込み得る膜／電極アセンブリ（ＭＥＡ）が構成される。
【００３８】
導電性多孔質基材を用いて重合体電解質の電着により形成したＭＥＡの場合と同様に、前述の非導電性多孔質基材を使用することには多くの利点がある。その利点として、ＭＥＡの構造完全（耐久）性の向上、燃料電池の発電プロセス中に生じ得る膨潤の度合いの低下、重合体電解質の脱水可能性の低下、及び膨潤及びメタノールクロスオーバーに対する耐性の向上が挙げられる。
【００３９】
以上、例示的な実施形態を説明したが、当業者には、前述の実施形態に対する多くの修正及び／又は追加が容易に明らかとなろう。限定はしないが、前述の例示的な電着システムの様々な構成要素は交換可能である。本発明の範囲は、そのような全ての修正及び／又は追加に及ぶよう意図されている。
【００４０】
結論として、多孔質基材に重合体電解質を電着させる当該システムは、その様々な実施形態において、同時に、膨潤の可能性を減少させ、機械的安定性を高め、メタノールクロスオーバーの可能性を減少させる。詳細には、当該電着方法は、導電性多孔質基材と非導電性多孔質基材のどちらの上にも重合体電解質を電着する方法を提供する。電着は、水溶液中で、従来の手法と比べて少ない熱を加えた条件下で実施することができる。その結果、電解質の膨潤が減少し、メタノールクロスオーバーの可能性が減少する。
【００４１】
以上の説明は、本発明の例示的な実施形態を示し、説明するためにのみ示されたものである。その説明は、網羅的なものではなく、例示的な実施形態を開示した厳密な形態に限定するものでもない。以上の教示から、多くの修正及び変更が可能である。本発明の適用範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されるよう意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】例示的な一実施形態によるプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の断面図
【図２】例示的な一実施形態による電着システムの断面図
【図３】例示的な一実施形態により導電性多孔質基材に重合体電解質を被覆する方法を示すフローチャート
【図４Ａ】例示的な一実施形態による導電性多孔質基材の電気泳動付着を示す断面図
【図４Ｂ】例示的な一実施形態により導電性多孔質基材に実施し得る付着後処理を示す断面図
【図４Ｃ】例示的な一実施形態による導電性多孔質基材の電解析出を示す断面図
【図５】例示的な一実施形態による電着システムを示す断面図
【図６】例示的な一実施形態による非導電性多孔質基材に重合体電解質を被覆する方法を示すフローチャート
【図７Ａ】例示的な一実施形態による非導電性多孔質基材の電気泳動付着を示す断面図
【図７Ｂ】例示的な一実施形態による非導電性多孔質基材の電気泳動付着をさらに詳しく示す断面図
【符号の説明】
【００４３】
１００  燃料電池
１２０  燃料源
１４０  燃料極
１６０  空気極
２４０、２７０  電極
２５０  基材
４００  重合体電解質
４２０  パーフルオロスルホン酸塩イオノマー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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