(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜について、金属イオンによるコンタミネーションに起因する膜寸法の収縮を抑制する。【解決手段】電解質膜の製造工程は、炭化水素系電解質膜を製膜する製膜工程と、この炭化水素系電解質膜に含まれるイオン交換基のプロトンを金属イオンで置換する金属イオン置換工程と、金属イオン置換工程を経た炭化水素系電解質膜に対して酸処理を施すことによって、金属イオンをプロトンに置換する酸処理工程と、を備える。【選択図】図１
2009277573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法であって、
炭化水素系電解質膜を製膜する製膜工程と、
前記炭化水素系電解質膜に含まれるイオン交換基のプロトンを金属イオンで置換する金属イオン置換工程と、
前記金属イオン置換工程を経た炭化水素系電解質膜に対して酸処理を施すことによって、前記金属イオンをプロトンに置換する酸処理工程と、
を備える製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の電解質膜の製造方法であって、
前記イオン交換基は、スルホン酸基である、
製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の電解質膜の製造方法であって、
前記金属イオンは、２価以上の金属イオンである、
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜について、種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２５１９０５号公報
【特許文献２】特開２００２−１２４２７１号公報
【特許文献３】特開２００６−３３８９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池に備えられた電解質膜は、発電環境下において、電解質膜に含まれるイオン交換基のプロトンが、燃料ガスや酸化剤ガスの供給配管やセパレータ等から溶出した金属イオンによって置換される（以下、イオン交換基のプロトンが他のイオンによって置換されることを「コンタミネーション」とも呼ぶ）。そして、電解質膜で金属イオンによるコンタミネーションが生じると、電解質膜の膜寸法の収縮が生じる。
【０００５】
しかし、上記特許文献１〜３に記載された技術では、金属イオンによるコンタミネーションに起因する電解質膜の膜寸法の収縮については、何ら考慮されていなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜について、金属イオンによるコンタミネーションに起因する膜寸法の収縮を抑制す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ために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法であって、炭化水素系電解質膜を製膜する製膜工程と、前記炭化水素系電解質膜に含まれるイオン交換基のプロトンを金属イオンで置換する金属イオン置換工程と、前記金属イオン置換工程を経た炭化水素系電解質膜に対して酸処理を施すことによって、前記金属イオンをプロトンに置換する酸処理工程と、を備える製造方法。
【０００９】
適用例１の電解質膜の製造方法では、炭化水素系電解質膜を製膜し、この炭化水素系電解質膜に含まれるイオン交換基のプロトンを金属イオンで置換すること（金属イオン置換処理）によって、炭化水素系電解質膜を強制的に収縮させる。そして、金属イオンによるコンタミネーションによって収縮した炭化水素系電解質膜に対して酸処理、すなわち、酸性の溶液に浸漬する処理を施すことによって、一旦置換された金属イオンを再びプロトンに置換する。このとき、金属イオンがプロトンに置換されても、収縮した炭化水素系電解質膜の膜寸法が膨張して元に戻ることはない。これは、金属イオン置換処理、および、酸処理によって、炭化水素系電解質膜の内部構造が変化したためと考えられる。そして、上述した製造方法で製造された炭化水素系電解質膜は、発電環境下において、金属イオンによるコンタミネーションが生じても、膜寸法の収縮が抑制されることが本願発明者によって実験的に見出された。なお、パーフルオロ系電解質膜を、本発明の電解質膜の製造方法と同様の製造方法によって製造した場合には、金属イオンによるコンタミネーションに起因する膜寸法の収縮が抑制される効果は得られなかった。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の電解質膜の製造方法であって、前記イオン交換基は、スルホン酸基である、製造方法。
【００１１】
イオン交換基として、プロトンを交換可能な他のイオン交換基を用いるようにしてもよい。
【００１２】
［適用例３］適用例１または２記載の電解質膜の製造方法であって、前記金属イオンは、２価以上の金属イオンである、製造方法。
【００１３】
金属イオンとして、２価以上の金属イオンを用いることによって、先に説明した発電環境化における膜寸法の収縮を抑制する効果が高くなることが、本願発明者によって見出された。
【００１４】
本発明は、上述の電解質膜の製造方法としての構成の他、この製造方法によって製造された電解質膜の発明として構成することもできる。また、この電解質膜を用いた膜電極接合体や、燃料電池の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．電解質膜の製造工程：
図１は、本発明の一実施例としての固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜の製造工程を示す説明図である。
【００１６】
まず、炭化水素系電解質膜を製膜する（ステップＳ１００）。本実施例では、イオン交換基としてスルホン酸基（ＳＯ3Ｈ）を含む炭化水素系電解質膜を製膜するものとした。スルホン酸基の代わりに、プロトンを交換可能な他のイオン交換基を用いるようにしてもよい。
【００１７】
次に、炭化水素系電解質膜に含まれるスルホン酸基のプロトンを金属イオンで置換する金属イオン置換処理を行う（ステップＳ１１０）。本実施例では、金属イオン置換処理として、炭化水素系電解質膜を、１０（ｐｐｂ），８０（℃）のＮｉ（ニッケル）イオン溶液に、１時間浸漬する工程と、５０（℃）の環境下で１時間乾燥させる工程とを２０サイクル繰り返すものとした。この金属イオン置換処理によって、炭化水素系電解質膜の膜寸法は、強制的に収縮される。
【００１８】
次に、上述した金属イオン置換処理が施された炭化水素系電解質膜に対して酸処理を行うことによって、金属イオン置換処理によって置換された金属イオンを再びプロトンに置換する（ステップＳ１２０）。本実施例では、酸処理として、炭化水素系電解質膜を、０．１規定，２５（℃）の塩酸溶液に２時間浸漬するものとした。なお、この酸処理によって、金属イオンがプロトンに置換されても、収縮した炭化水素系電解質膜の膜寸法が膨張して元に戻ることはない。これは、金属イオン置換処理、および、酸処理によって、炭化水素系電解質膜の内部構造が変化したためと考えられる。
【００１９】
最後に、純水洗浄を行う（ステップＳ１３０）。以上の工程によって、電解質膜が完成する。
【００２０】
Ｂ．効果：
本実施例の製造工程によらずに製膜したのみの炭化水素系電解質膜を固体高分子型燃料電池に適用して発電を行った場合、発電環境下において、炭化水素系電解質膜に含まれるスルホン酸基のプロトンが、燃料ガスや酸化剤ガスの供給配管やセパレータ等から溶出した金属イオンによって置換され（コンタミネーション）、炭化水素系電解質膜に膜寸法の収縮が生じた。これに対し、本実施例の製造工程によって製造された炭化水素系電解質膜では、発電環境下において、炭化水素系電解質膜に含まれるスルホン酸基のプロトンが、金属イオンによって置換されても、膜寸法の収縮が抑制されることが本願発明者によって実験的に見出された。なお、パーフルオロ系電解質膜を、本発明の電解質膜の製造方法と同様に、金属イオン置換処理、および、酸処理を施して製造した場合には、金属イオンによるコンタミネーションに起因する膜寸法の収縮が抑制される効果は得られなかった。
【００２１】
また、本実施例の製造工程によって製造された炭化水素系電解質膜のイオン交換についての性能が、本実施例の製造工程によらずに製膜したのみの炭化水素系電解質膜と比較して、ほとんど低下しないことも確認された。
【００２２】
図２は、本実施例の製造工程によって製造された炭化水素系電解質膜のイオン交換容量を示す説明図である。製膜したのみの炭化水素系電解質膜（比較例１）のイオン交換容量を基準として、製膜した後に先述した金属イオン置換処理を施した炭化水素系電解質膜のイオン交換容量（比較例２）と、実施例の製造工程によって製造された炭化水素系電解質膜のイオン交換容量とを比較した。図から分かるように、比較例２の炭化水素系電解質膜のイオン交換容量が３０（％）程度低下したのに対し、実施例の炭化水素系電解質膜のイオン交換容量は、ほとんど低下しなかった。
【００２３】
Ｃ．変形例：
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、以下のような変形が可能である。
【００２４】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、炭化水素系電解質膜に含まれるイオン交換基は、スルホン酸基であるものとしたが、本発明は、これに限られない。イオン交換基として、スルホン酸基の代わりに、プロトンを交換可能な他のイオン交換基を用いるようにしてもよい。
【００２５】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、金属イオン置換処理に用いられる金属イオンとして、ニッケルイオンを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。金属イオンとして、ニッケルイオンの代わりに、鉄イオンや、銅イオン等、他の金属イオンを用いるようにしてもよい。なお、この金属イオンとしては、２価以上の金属イオンを用いることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例としての固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜の製造工程を示す説明図である。
【図２】本実施例の製造工程によって製造された電解質膜のイオン交換容量を示す説明図である。
【図１】
2009277573.tif 000003
【図２】
2009277573.tif 000004