(57)【要約】【課題】電解質膜のプロトン伝導性を向上させることによって発電効率を向上させた燃料電池を製造することができる技術を提供する。【解決手段】電解質膜１１を、希硫酸溶液２００中に互いに距離を置いて配置された２つの電極板３１０，３２０の間に配置する。この状態で、２つの電極板３１０，３２０間に直流電源３００によって電圧を印加して電流を流し、電気泳動を行う。すると、電解質膜１１の膜中をイオンが膜厚方向に沿って通過し、これによって、電解質膜１１に膜厚方向に沿ったプロトン及び水のための経路が形成され、電解質膜１１のプロトン伝導性が向上する。この電解質膜１１を燃料電池１００として組み付けることによって、燃料電池１００の発電効率が向上する。【選択図】図２
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【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）電解質溶液と、前記電解質溶液中に互いに距離を置いた状態で配置された２つの電極板と、電解質膜とを準備する工程と、
（ｂ）前記２つの電極板の間に、前記電解質膜を配置する工程と、
（ｃ）前記２つの電極板に電流を流すことによって、前記電解質溶液中の陽イオン及び陰イオンを、前記電解質膜中においてその厚み方向に沿って移動させる工程と、
（ｄ）前記電解質膜を前記燃料電池に組み付ける工程と、
を備える、燃料電池の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の製造方法であって、
前記電解質膜の両面には、アノードとカソードとが配置されている、燃料電池の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池の製造方法であって、
前記電解質溶液は、希硫酸又は希過塩素酸であり、
前記電解質膜は、側鎖にイオン交換基を有する共重合体として構成される高分子電解質材料からなる、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、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、プロトン伝導性を有する電解質膜が２つの電極によって挟持された発電体である膜電極接合体を備える。２つの電極には燃料電池反応を促進するための触媒層や、反応ガスを電極面全体に行き渡らせるためのガス拡散層などが設けられる。燃料電池では、発電効率を向上するために、そうした各構成部材間の接触抵抗を低減するなど、種々の技術が提案されている（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２９３２２号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０１２１号公報
【特許文献３】特開２００５−３１０６９８号公報
【特許文献４】特開２００６−０３２１３５号公報
【０００４】
ところで、燃料電池反応では、電解質膜中を膜の厚み方向にプロトンが伝導する。従って、燃料電池の発電効率を向上するためには、膜中におけるプロトンの移動抵抗を低減することが好ましい。しかし、これまでこうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、電解質膜のプロトン伝導性を向上させることによって発電効率を向上させた燃料電池を製造することができ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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、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。
【０００７】
［適用例１］燃料電池の製造方法であって、
（ａ）電解質溶液と、前記電解質溶液中に互いに距離を置いた状態で配置された２つの電極板と、電解質膜とを準備する工程と、
（ｂ）前記２つの電極板の間に、前記電解質膜を配置する工程と、
（ｃ）前記２つの電極板に所定の電流を流すことによって、前記電解質溶液中の陽イオン及び陰イオンを、前記電解質膜中においてその厚み方向に沿って移動させる工程と、
（ｄ）前記電解質膜を前記燃料電池に組み付ける工程と、
を備える、燃料電池の製造方法。
【０００８】
適用例１記載の製造方法によれば、電気泳動によって、電解質膜中をその膜厚方向に沿って移動する陽イオン及び陰イオンために、電解質膜中に膜厚方向に沿ったプロトン及び水のための経路が形成され、電解質膜のプロトン伝導性が向上する。この電解質膜を燃料電池に組み付けることによって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【０００９】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池の製造方法であって、前記工程（ａ）は、アノードとカソードとが両面に配置された前記電解質膜を準備する工程である、燃料電池の製造方法。
【００１０】
適用例２記載の製造方法によれば、電気泳動によってプロトン伝導性が向上した膜電極接合体を製造することができる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２記載の燃料電池の製造方法であって、前記電解質溶液は、希硫酸又は希過塩素酸であり、前記電解質膜は、側鎖にイオン交換基を有する共重合体として構成される高分子電解質材料からなる、燃料電池の製造方法。
【００１２】
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】
【００１３】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、複数の発電モジュール１１０が積層された、いわゆるスタック構造を有する。
【００１４】
発電モジュール１１０は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を挟持する２つのセパレータ２０，３０とを備えている。膜電極接合体１０は、アノード１２及びカソード１３によって挟持された電解質膜１１を備える発電体である。
【００１５】
電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子である。具体的には、電解質膜１１は、イオン伝導性を実現するイオン交換基としてスルホン酸基を備え、ペルフルオロカーボンスルホン酸ポリマとして構成される樹脂（例えば、ナフィオン、デュポン社製）を採用することが可能である。
【００１６】
アノード１２及びカソード１３はそれぞれ、電解質膜１１と接する外面に、発電反応を促進するための触媒層（図示せず）を有しており、電解質膜１１と接しない外面に、供給された反応ガスを全面に行き渡らせるためのガス拡散層（図示せず）を有している。アノード１２及びカソード１３は、例えば、カーボンペーパに白金触媒（Ｐｔ）を担持させることによって構成することができる。
【００１７】
２つのセパレータ２０，３０は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。アノードセパレータ２０は、膜電極接合体１０のアノード１２側に配置され、カソードセパレータ３０は、膜電極接合体１０のカソード側に配置される。２つのセパレータ２０，３０のそれぞれには、電極（アノード１２又はカソード１３）と接する面側に、水素又は酸素を誘導するためのガス流路２１，３１が設けられている。ガス流路２１，３１は、発電に供される発電領域全体に渡って併走する複数の流路溝として構成される。なお、２つのセパレータ２０，３０のそれぞれには、電極と接しない外面に、冷媒を誘導するための冷媒流路が設けられているものとしても良い（図示せず）。
【００１８】
反応ガスが、セパレータ２０，３０のガス流路２１，３１を介して各電極１２，１３に供給されると、各電極１２，１３では電気化学反応が生じて、燃料電池１００は発電する。ところで、燃料電池１００の発電中には、電解質膜１１の膜中の水分を介して、アノード１２側からカソード１３側へとプロトンが伝導する。即ち、膜中のプロトンの移動抵抗を低減させる（プロトン伝導性を向上させる）ことによって、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。以下に、燃料電池１００に組み付ける前に電解質膜１１に施される、電解質膜１１のプロトン伝導性を向上させるための加工処理を説明する。
【００１９】
図２は、本発明の一実施例として電解質膜１１の加工工程を説明するための説明図である。第１工程として、電解質溶液である希硫酸溶液２００と、直流電源３００と導電線３３０で接続された２つの電極板３１０，３２０と、プロトン伝導性を有する固体高分子の薄膜である電解質膜１１とを準備する。２つの電極板３１０，３２０はそれぞれ、互いに距離を置いて、希硫酸溶液２００中に配置される。
【００２０】
第２工程として、電解質膜１１を希硫酸溶液２００中に配置する。このとき、電解質膜１１は、２つの電極板３１０，３２０の間に配置される。なお、電解質膜１１と２つの電極板３１０，３２０とはそれぞれ、互いに略平行となるように配置されることが好ましい。
【００２１】
第３工程として、第１の電極板３１０が陰極、第２の電極板３２０が陽極となるように、直流電源３００によって所定の電圧を、所定の時間だけ印加して電流を流す。印加電圧としては、例えば、約１．０Ｖ程度としても良く、電圧の印加時間としては、例えば、約３０分程度としても良い。印加電圧・印加時間は、実験等によって好適な値を求めて設定することが好ましい。
【００２２】
２つの電極板３１０，３２０間に電流を流すと、各電極板３１０，３２０において下記の反応が発生する。
（陰極）  ２Ｈ+ ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2   …  （１）
（陽極）  ２ＳＯ42-  →  ２ＳＯ3  ＋  Ｏ2  ＋  ４ｅ-  …  （２）
Ｈ2０  ＋  ２ＳＯ3  →  Ｈ2ＳＯ4  …  （３）
【００２３】
この状態において、希硫酸溶液２００では、陽イオン（Ｈ+）が第１の電極板３１０側へ向かって移動し、陰イオン（ＳＯ42-）が第２の電極板３２０側へ向かって移動する（電気泳動）。２つの電極板３１０，３２０の間には電解質膜１１が配置されているため、これらのイオンは水（Ｈ2０）を伴って、電解質膜１１の膜中を、その厚み方向に渡って移動する（図中の矢印）。この膜中のイオン通過によって、電解質膜１１のポリマー配列が変動し、電解質膜１１の膜厚方向に沿った水及びプロトンのための伝導経路が形成される。これによって、燃料電池１００として組み付けられたときの電解質膜１１のプロトン伝導性が向上する。
【００２４】
ところで、電解質膜１１の膜中には、有機溶剤やナトリウムイオンといった不純物が混入している場合がある。こうした不純物が混入した状態で電解質膜１１を燃料電池に組み付けると、不純物による電解質膜１１の導電性の低下により、その発電効率は低下する。また、当該燃料電池の使用を継続した場合に、電解質膜１１の劣化を引きおこす可能性がある。しかし、上述した電気泳動を電解質膜１１に対して行うことによって、電解質膜１１の膜中をイオンが通過し、膜中に混入していた不純物が、希硫酸溶液２００中に通過イオンに伴われて排出される。従って、膜中の不純物による電解質膜１１の導電性の低下及び電解質膜１１の劣化の可能性が低減される。
【００２５】
なお、上記加工工程の電気泳動によって、第１の電極板３１０から水素が発生し、第２の電極板３２０から酸素が発生する（反応式（１），（２））。この水素及び酸素は、例えば、燃料電池の反応ガスとして利用するなど、燃料資源として利用することが可能である。
【００２６】
このように、本実施例の電気泳動を利用した加工工程が施された電解質膜１１を燃料電池１００に用いることによって、発電中の電解質膜１１におけるプロトンの伝導性が向上し、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。
【００２７】
B．第２実施例：
図３は本発明の第２実施例としての電解質膜１１の加工工程を説明するための説明図である。図３は、電解質膜１１の各外表面にアノード１２及びカソード１３が設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。
【００２８】
即ち、第２実施例では、電解質膜１１によって膜電極接合体１０を構成した後、膜電極接合体１０を、第１実施例と同様に希硫酸溶液２００中に配置して電気泳動を行う。なお、電気泳動を行う際に、直流電源３００によって印可する電圧は、約１．０Ｖ程度であることが好ましい。この理由は、これより大きい電圧を印加すると膜電極接合体１０のアノード１２及びカソード１３に担持された触媒の腐食を引きおこす可能性があるためである。
【００２９】
このような加工処理を経た膜電極接合体１０を２つのセパレータ２０，３０によって挟持して燃料電池１００に組み付けることによって、第１実施例と同様に、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。
【００３０】
C．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。
【００３１】
C1．変形例１：
上記実施例において、電解質溶液として希硫酸を用いていたが、例えば、希過塩素酸など、他の電解質溶液を用いるものとしても良い。
【００３２】
C2．変形例２：
上記実施例において、電気泳動を行うために、直流電源３００を用いていたが、これに換えて、交流電源を用いるものとしても良い。
【００３３】
C3．変形例３：
上記実施例において、電解質膜１１として、フッ素系の高分子電解質材料を用いた電解質膜を採用していたが、他に、炭化水素を構成成分として含む固体高分子電解質膜を採用するものとしても良い。より具体的には、電解質膜１１としては、オレフィン炭化水素とオレフィンパーフルオロカーボンの共重合体からなる主鎖と、スルホン酸基を有する架橋された炭化水素系側鎖とから構成されるものを採用することができる。即ち、電解質膜１１としては、側鎖にイオン交換基を有する共重合体として構成される高分子電解質材料からなるものを採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】燃料電池の構成を示す概略断面図。
【図２】第１実施例の電気泳動による電解質膜の加工工程を説明するための説明図。
【図３】第２実施例の電気泳動による膜電極接合体の加工工程を説明するための説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１０…膜電極接合体
１１…電解質膜
１２…アノード
１３…カソード
２０，３０…セパレータ
２１，３１…ガス流路
１００…燃料電池
１１０…発電モジュール
２００…希硫酸溶液
３１０…第１の電極板
３２０…第２の電極板
３３０…導電線
３００…直流電源
【図１】
2009110899.tif 000003
【図２】
2009110899.tif 000004
【図３】
2009110899.tif 000005