JP2002110196A

JP2002110196A - 燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP2002110196A
Application number: JP2000302975A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Matsuno; 敏之松野; Masaki Nakajin; 雅貴中陳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2002-04-12
Anticipated expiration: 2020-10-02
Also published as: JP4774585B2

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン交換膜が均一の厚さで、かつ、電極と
薄いイオン交換膜とを電気的に接続良好な状態に配置可
能な燃料電池の製造方法の提供。【解決手段】燃料電池１の製造方法では、燃料電極１
０及び酸素電極３０を構成する板状の電極材を、予め電
極材の面に垂直な方向にプレスする。プレスした後に、
燃料電極１０、酸素電極３０の表面にフラーレン誘導体
系プロトン伝導体を塗布することによって含浸させる。
この後、燃料電極２０、酸素電極３０を、電極の面に垂
直な方向にプレスする。最後に、イオン交換膜２０を介
して燃料電極１０と酸素電極３０とを間接的に接続する
ことにより、燃料電池１を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池の製造方法に関
し、特にイオン交換膜を介して酸素電極と燃料電極とが
間接的に接続され、イオン交換膜によって燃料電極から
酸素電極への水素分子のリークを防止する燃料電池の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料電極と酸素電極とを有
し、燃料電極と酸素電極とがイオン交換膜を介して互い
に間接的に接続された構成となっている。イオン交換膜
は、燃料電極と酸素電極とを分離するセパレーターの役
割を果たし、水素イオンを伝導し、実質的に水素分子や
電子を通過不能に構成されている。

【０００３】従来の燃料電池は、イオン交換膜をなす有
機物系の固体高分子を液化し、この液化した固体高分子
を燃料電極に塗布した後に、固体高分子が塗布された燃
料電極の面に酸素電極を接続することによって製造され
るか、或いは、予め燃料電極と酸素電極とイオン交換膜
とを別個に製造しておき、これらを接続することによっ
て製造される。

【０００４】特開平５−３６４１８号公報には、予め製
造した燃料電極に液化した固体高分子を塗布し、固体高
分子層を介して、燃料電極と酸素電極とを一体化させる
燃料電池の製造方法が記載されている。カーボン担体に
白金等の貴金属を担持させた触媒粒子を撥水性のポリテ
トラフロロエチレンと混合し、触媒粒子を結合すること
によって、電極が製造される。製造した電極表面にパー
フルオロスルホン酸樹脂（ＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉ
ｏｎ等）からなる液状の有機物系高分子電解質を塗布
し、その後、塗布した高分子電解質を介して２つの電極
を一体化させることによって燃料電池が製造される。

【０００５】また、同公報には、予め製造した２つの電
極とイオン交換膜とを接続する燃料電池の製造方法が記
載されている。同製造方法によれば、先ず、アセチレン
ブラックに白金を担持させた触媒粒子を湿潤させ、Ｎａ
ｆｉｏｎと混練し凍結乾燥させる。次に、凍結乾燥する
ことによって得られた生成物を粉砕し粉末とする。そし
て、粉末に三井デュポンフロロケミカル社製のファイン
パウダとイソプロピルアルコールとを添加して混練し、
シート状にして乾燥させることによって、２つの電極を
製造する。電極とは別個に製造しておいたＮａｆｉｏｎ
からなる固体高分子電解質膜を、２つの電極で挟むよう
に接続することによって、燃料電池を製造するというも
のである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な燃料電池においては、電極表面にはミクロ的な凹凸を
有しており、電極表面上にイオン交換膜を塗布すると、
電極表面とイオン交換膜との接触が不十分で多くの間隙
が残存し、十分なプロトンの伝導性が得られない、とい
った問題があった。

【０００７】そこで、本発明は、イオン交換膜が均一の
厚さで、かつ、電極と薄いイオン交換膜とを電気的に接
続良好な状態に配置可能な燃料電池の製造方法を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、燃料電極を製造する燃料電極製造工程
と、酸素電極を製造する酸素電極製造工程と、イオン交
換膜を製造するイオン交換膜製造工程と、該燃料電極製
造工程により製造された該燃料電極と該酸素電極製造工
程により製造された該酸素電極とを該イオン交換膜製造
工程により製造された該イオン交換膜を介して一体化さ
せる一体化工程とからなる燃料電池の製造方法におい
て、該燃料電極製造工程中に、若しくは該燃料電極製造
工程の後に、イオン交換膜と対向する該燃料電極の対向
面を平坦化する燃料電極平坦化工程を行う燃料電池の製
造方法を提供している。

【０００９】ここで、該燃料電極平坦化工程では、該燃
料電極の該対向面に垂直の方向から該対向面を面一にプ
レスすることにより該対向面を平坦化することが好まし
い。

【００１０】また、該イオン交換膜製造工程では多孔質
基体に該プロトン伝導体を含浸させることにより該イオ
ン交換膜を製造することが好ましい。

【００１１】また、該プロトン伝導体はパーフルオロス
ルホン酸樹脂によって構成されていることが好ましい。

【００１２】また、該プロトン伝導体は、炭素を主成分
とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導
入されてなるものによって構成されていることが好まし
い。

【００１３】ここで、「プロトンの解離」とは、電離に
よってプロトン（Ｈ^＋）が離脱することを意味し、「プ
ロトン解離性の基」とは、電離によってプロトンが離れ
得る官能基を意味する。

【００１４】また、該多孔質基体はポリエチレン又はポ
リプロピレン又はポリテトラフルオロエチレンからなる
ことが好ましい。

【００１５】また、該酸素電極製造工程と同時に、若し
くは該酸素電極製造工程の後に、イオン交換膜と対向す
る該酸素電極の対向面を平坦化する酸素電極平坦化工程
を更に行うことが好ましい。

【００１６】また、該酸素電極平坦化工程では、該酸素
電極の該対向面に垂直の方向から該対向面を面一にプレ
スすることにより該対向面を平坦化することが好まし
い。

【００１７】また、該酸素電極平坦化工程におけるプレ
ス圧力は、該水素極側電極平坦化工程におけるプレス圧
力の約３分の１乃至５分の１であることが好ましい。

【００１８】また、該燃料電極平坦化工程の後であって
該一体化工程の前に、該燃料電極にプロトン伝導体を塗
布する燃料極側プロトン伝導体塗布工程を行い、該燃料
極側プロトン伝導体塗布工程の後であって該一体化工程
の前に、該燃料電極の該対向面に垂直の方向から該燃料
電極を面一にプレスする燃料電極プレス工程を行うこと
が好ましい。

【００１９】また、該プロトン伝導体はパーフルオロス
ルホン酸樹脂によって構成されていることが好ましい。

【００２０】また、該プロトン伝導体は、炭素を主成分
とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導
入されてなるものによって構成されていることが好まし
い。

【００２１】また、該酸素電極平坦化工程の後であって
該一体化工程の前に、該酸素電極の該対向面にプロトン
伝導体を塗布する酸素極側プロトン伝導体塗布工程を行
い、該酸素極側プロトン伝導体塗布工程の後であって該
一体化工程の前に、該酸素電極の該対向面に垂直の方向
から該酸素電極を面一にプレスする酸素電極プレス工程
を行うことが好ましい。

【００２２】また、該プロトン伝導体はパーフルオロス
ルホン酸樹脂によって構成されていることが好ましい。

【００２３】また、該プロトン伝導体は、炭素を主成分
とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導
入されてなるものによって構成されていることが好まし
い。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による燃料電
池１及び燃料電池１の製造方法について図１に基づき説
明する。先ず、本実施の形態による燃料電池１の構成に
ついて説明する。図１に示すように燃料電池１は、各々
が円形の板状をした燃料電極１０、イオン交換膜２０、
酸素電極３０から構成されている。イオン交換膜２０の
両面に燃料電極１０と酸素電極３０とがそれぞれ圧着さ
れ、これら３つが接続された状態となっている。燃料電
極１０と酸素電極３０とは、燃料電池１によって発生し
た電力によって動作等を行う図示せぬ電気的な負荷、即
ち、外部回路を介して接続されており、燃料電池１と電
気的な負荷とからなる回路を構成している。

【００２５】燃料電極１０、酸素電極３０は、それぞれ
白金等の触媒を担持した多数のカーボン粒子片を、ポリ
テトラフロロエチレン等の撥水性樹脂で接合することに
より構成したものであり、燃料である水素分子や酸素ガ
スとの接触面積を増大させるため、間隙の形成された状
態で接合されており、多孔質の板となっている。更に、
触媒により生じたイオンをイオン交換膜２０に導くべ
く、間隙の形成されたカーボン片間にはプロトン伝導体
たるイオン伝導体が入込み、電極にプロトン伝導体を含
浸させた状態となっている。

【００２６】燃料電極１０には、炭素を主成分とする炭
素質材料にプロトン解離性の基が導入されたプロトン伝
導体としてフラーレン誘導体系のプロトン伝導体が含浸
させられている。

【００２７】この燃料電極１０には、図示せぬ導入口か
ら燃料である水素が供給され、供給された水素は燃料電
極１０中の図示せぬ白金触媒に接触し、水素イオンと電
子とに分けられる。フラーレン誘導体系イオン伝導体が
イオン伝導体として用いられ燃料電極１０に含浸させら
れるため、燃料無加湿状態においても電極内のイオン伝
導を良好に保つことができる。また、白金触媒にフラー
レン誘導体系プロトン伝導体をなじませることができ
る。

【００２８】ここで用いられるフラーレン誘導体系プロ
トン伝導体は、球状クラスター分子をなすフラーレン分
子を母体とする。通常は、Ｃ_３６、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ
_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８０、Ｃ_８２、Ｃ_８４等から選ばれる
が、本実施の形態においてはＣ_６０及びＣ_７０が選ばれ
る。フラーレンの構成炭素原子にプロトン解離性の基が
導入されて、フラーレン誘導体系プロトン伝導体が構成
される。更に、電子吸引基が導入されることによって、
前記基のプロトン解離性がいっそう助長される。プロト
ン解離性の基とは、電離により水素イオン（プロトン
（Ｈ^＋））が離脱し得る官能基を意味し、−ＯＨ、−Ｏ
ＳＯ_３Ｈ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ_３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）
_２が好まれるが、本実施の形態においては、−ＯＨ、又
は−ＯＳＯ _３Ｈが好適に用いられる。特に、プロトン解
離性の基として−ＯＨを有するポリ水酸化フラーレン
（通称、フラレノール）により形成した膜は、従来より
用いられていたパーフルオロスルホン酸樹脂により形成
されたものに比べて成膜性等に優れており、またプロト
ンの伝導に水分子の介在を必要としないため、加湿器等
が不要である。更に、動作温度領域が−４０°Ｃ〜１６
０°Ｃと広い等の利点があり、本発明の電気化学デバイ
ス（燃料電池）には好適である。又、電子吸引基として
は、ニトロ基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトリ
ル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン原子（フッ素、
塩素等）の内の、いずれか一つ又は複数が選択されて構
成されている。

【００２９】酸素電極３０にも、フラーレン誘導体系プ
ロトン伝導体が含浸させられている。この酸素電極３０
には、図示せぬ導入口からの酸素が接触可能に構成さ
れ、酸素は酸素電極３０の図示せぬ触媒に接触し、燃料
電極１０で発生し酸素電極３０に伝導してきた水素イオ
ンと、酸素分子と、外部回路（図示せず）から供給され
る電子とから水が生成される。フラーレン誘導体系プロ
トン伝導体がイオン伝導体として用いられ含浸させられ
るため、燃料無加湿状態においても電極内のイオン伝導
を良好に保つことができる。また、白金触媒にフラーレ
ン誘導体系プロトン伝導体をなじませることができる。

【００３０】イオン交換膜２０自体にもフラーレン誘導
体系のプロトン伝導体が用いられる。具体的には、イオ
ン交換膜２０は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレ
ン（ＰＰ）、又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）により構成される多孔質基体に、フラーレン誘導体
系のプロトン伝導体が含浸させられることにより構成さ
れている。

【００３１】次に、本実施の形態による燃料電池１の製
造方法について説明する。先ず、燃料電極製造工程と酸
素電極製造工程とを行い、燃料電極１０と酸素電極３０
とを製造する。燃料電極製造工程、酸素電極製造工程で
は、それぞれ白金を担持させた複数のカーボン片を撥水
性樹脂により結合、固定することによって、円形の板状
をした電極材を製造する。そして、電極材は、燃料電極
平坦化工程、酸素電極平坦化工程において、それぞれプ
レスされる。プレスは、イオン交換膜と対向する燃料電
極１０、酸素電極３０の対向面１０Ａ、３０Ａに対して
垂直な方向から、それぞれの対向面１０Ａ、３０Ａ全体
に面一に圧力を加えることによって行われる。酸素電極
平坦化工程におけるプレスの圧力は、燃料電極平坦化工
程におけるプレスの圧力の約４分の１である。より具体
的には、燃料電極１０を構成する電極材に加えるプレス
の圧力は、約２１０ｋｇ／ｃｍ^２であり、酸素電極３０
を構成する電極材に加えるプレスの圧力は、約５５ｋｇ
／ｃｍ^２である。次に、粉末状のフラーレン誘導体系プ
ロトン伝導体を有機溶媒であるテトラヒドロフラン（Ｔ
ＨＦ）と混合してスラリーとし、これを、燃料電極製造
工程においては燃料電極１０を構成する電極材に塗布す
る燃料極側プロトン伝導体塗布工程を行い、酸素電極製
造工程では酸素電極３０を構成する電極材に塗布する酸
素極側プロトン伝導体塗布工程を行う。

【００３２】次に、イオン交換膜製造工程を行う。イオ
ン交換膜製造工程では、フラーレン誘導体系プロトン伝
導体を、有機溶媒であるテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）
と混合しスラリーとし、これを予め用意した多孔質基体
に塗布し、乾燥させることによりイオン交換膜２０を製
造する。多孔質基体は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプ
ロピレン（ＰＰ）、又はポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）により構成されている。

【００３３】ここでフラーレン誘導体系プロトン伝導体
としては、ポリ水酸化フラーレン、硫酸水素エステル化
ポリ水酸化フラーレンの全エステル化したもの、硫酸水
素エステル化ポリ水酸化フラーレンの部分エステル化し
たものの内のいずれか一つ又は２つ以上を混合して用い
る。ポリ水酸化フラーレンの合成は次のようにして行わ
れる。Ｃ_７０を約１５％含むＣ_６０／Ｃ_７０の混合物の
粉末２ｇを、発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰囲気中
で６０℃に保ちながら３日間攪拌する。得られた反応物
を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しず
つ投下する。得られた沈殿物を遠心分離で分別し、さら
にジエチルエーテルで３回、及びジエチルエーテルとア
セトニトリルとを２：１で混合した混合液で２回洗浄し
た後で、４０℃の温度にて減圧中で乾燥させる。さら
に、この乾燥物を６０ｍｌのイオン交換水中に入れ、８
５℃で窒素によるバブリングを行いながら１０時間攪拌
する。そして反応生成物を遠心分離によって沈殿物を分
離し、さらに純水で数回洗浄し、遠心分離を繰返した後
に、４０℃の温度下で減圧乾燥する。以上の工程を経
て、ポリ水酸化フラーレンの合成が行われる。

【００３４】硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレン
の全エステル化したものの合成は次のようにして行われ
る。ポリ水酸化フラーレンの粉末１ｇを６０ｍｌの発煙
硫酸中に投下し、室温にて窒素雰囲気下で３日間攪拌す
る。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチル
エーテル中に少しずつ投下する。得られた沈殿物を遠心
分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、及びジ
エチルエーテルとアセトニトリルとを２：１に混合した
混合液で２回洗浄した後、４０℃の温度にて減圧下で乾
燥させる。以上の工程を経て、硫酸水素エステル化ポリ
水酸化フラーレンの全エステル化したものの合成が行わ
れる。

【００３５】硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレン
の部分エステル化したものの合成は次のようにして行わ
れる。フラーレンの粉末（Ｃ６０及びＣ７０の混合体）
２ｇを、発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰囲気中で６
０℃に保ちながら３日間攪拌する。得られた反応物を、
氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投
下する。但し、この場合のジエチルエーテルとしては、
脱水処理が行われていないものを用いる。得られた沈殿
物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３
回、及びジエチルエーテルとアセトニトリルとを２：１
に混合した混合液で２回洗浄した後で、４０℃の温度に
て減圧下で乾燥させる。以上の工程を経て、硫酸水素エ
ステル化ポリ水酸化フラーレンの部分エステル化したも
のの合成が行われる。

【００３６】上述の合成方法によれば、フラーレン誘導
体系プロトン伝導体は粉体の状態で生成されるため、上
述のようにフラーレン誘導体系プロトン伝導体を有機溶
媒と混合してスラリーとする。製造された燃料電極１
０、酸素電極３０においては、多孔質中に入込んだフラ
ーレン誘導体系プロトン伝導体の部分でイオンが伝導す
る。

【００３７】次に、燃料電極プレス工程と酸素電極プレ
ス工程とを行う。燃料電極プレス工程、酸素電極プレス
工程では、イオン交換膜と対向する燃料電極１０、酸素
電極３０の対向面１０Ａ、３０Ａに対して垂直な方向か
ら、燃料極側対向面１０Ａ全体、酸素極側対向面３０Ａ
全体に面一に圧力を加えることによって行われる。加え
る圧力は、それぞれ２８０ｋｇ／ｃｍ^２程度である。

【００３８】次に、水素分子がイオン交換膜２０を通過
してしまういわゆる水素分子のリークが生じていないこ
とを確認した後に、燃料電極１０と酸素電極３０とイオ
ン交換膜２０とを接続することにより、燃料電極１０と
酸素電極３０とをイオン交換膜２０を介して一体化させ
る一体化工程を行い、燃料電池１を製造する。

【００３９】電極材をプレスすることにより、電極表面
の凹凸を少なくして電極表面を平坦化することができ
る。また、電極の密度を高めることができ、電極内のイ
オン及び電子伝導性をより高めた燃料電池を製造するこ
とができる。また、酸素電極材をプレスする圧力を、燃
料電極材をプレスする圧力の約４分の１としたため、酸
素電極中で発生する水が酸素電極３０内において通り易
い燃料電池を製造することができる。

【００４０】次に、本実施の形態による燃料電池の性能
試験を行った。性能試験では、本発明による燃料電池
１、２の２種類、即ち、本実施の形態による燃料電池の
製造方法により製造された燃料電池１と、本実施の形態
による燃料電池の製造方法の、燃料電極平坦化工程にお
ける電極材に付加される圧力のみを変え、他は全て本実
施の形態による燃料電池の製造方法と同一の方法により
製造された燃料電池２との２種類を用意した。燃料電池
２の製造方法における燃料電極平坦化工程では、電極材
に対して約７０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力が付加され、酸素電
極平坦化工程では、電極材に対して約５５ｋｇ／ｃｍ^２
の圧力が付加される。また、本実施の形態による燃料電
池の製造方法の全工程の内の、燃料電極平坦化工程と酸
素電極平坦化工程とのみを除いた工程により製造された
燃料電池を比較例として用意した。これらの燃料電池
の、円形の板状をした燃料電極はφ３０であり、円形の
板状をした酸素電極はφ３４である。

【００４１】これらの本発明による燃料電池と比較例の
燃料電池とを、温度２３℃、湿度７５％の条件下で、そ
れぞれ２回ずつ実験を行い、出力電圧に対する出力電力
を求めた。実験では、燃料として水素を用い、酸素極側
は大気と接触可能な構造として、燃料電池として作動さ
せた。この際、加湿機等による強制的な加湿は行わな
い。

【００４２】図２のグラフに示すように、比較例の燃料
電池を動作させた場合には、２回の実験の内のより良好
な結果が得られた方に着目すると、出力電圧が５００ｍ
Ｖでは約２９ｍＷの出力電力を得ており、出力電圧が６
００、７００、８００ｍＶであるときには、それぞれ１
７、７、１ｍＷの出力電力を得た。

【００４３】一方、本発明による燃料電池２を動作させ
た場合には、図２のグラフに示すように、２回の実験の
内のより良好な結果が得られた方に着目すると、出力電
圧が５００ｍＶでは約３９ｍＷの出力電力を得ており、
出力電圧が６００、７００、８００ｍＶであるときに
は、それぞれ２２、８、１ｍＷの出力電力を得た。本発
明による燃料電池１を動作させた場合には、図２のグラ
フに示すように、２回の実験の内のより良好な結果が得
られた方に着目すると、出力電圧が５００ｍＶでは約５
１ｍＷの出力電力を得ており、出力電圧が６００、７０
０、８００ｍＶであるときには、それぞれ３５、１７、
５ｍＷの出力電力を得た。

【００４４】以上の実験結果より、燃料電極平坦化工
程、酸素電極平坦化工程を行うことによって、出力電力
を高めることができることが分かる。また、酸素電極平
坦化工程において電極材をプレスする圧力を、燃料電極
平坦化工程において電極材をプレスする圧力の約４分の
１とすることによって、燃料電池の出力電力を更に高め
ることができることが分かる。

【００４５】本発明による燃料電池の製造方法は上述し
た実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した
範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、本実施
の形態による燃料電池の製造方法では、プロトン伝導体
をフラーレン誘導体系プロトン伝導体により構成した
が、パーフルオロスルホン酸樹脂等の有機物系材料から
なるプロトン伝導体により構成してもよい。但し、パー
フルオロスルホン酸樹脂を用いる場合には、加湿器等に
よって燃料に水分を含ませる必要がある。

【００４６】また、本実施の形態による燃料電池の製造
方法では、酸素電極平坦化工程において酸素電極材に対
して付加されるプレスの圧力を、燃料電極平坦化工程に
おいて燃料電極材に対して付加されるプレスの圧力の約
４分の１としたが、３分の１乃至５分の１であればよ
い。より具体的には、燃料電極１０を構成する電極材に
対して付加されるプレスの圧力を約１５０乃至３５０ｋ
ｇ／ｃｍ^２とし、酸素電極３０を構成する電極材に対し
て付加されるプレスの圧力を、約３０乃至７０ｋｇ／ｃ
ｍ^２とし、更に、酸素電極材に対して付加されるプレス
の圧力を燃料電極材に対して付加されるプレスの圧力の
約３分の１乃至５分の１とする関係が保たれていれば、
本実施の形態による燃料電池の製造方法によって製造さ
れた燃料電池と同様に、出力電力を高めることができ
る。

【００４７】また、上述した実施の形態においては、燃
料として水素ガスを供給したが、メタノールなどのアル
コールや他の化石燃料等を液体若しくは気体の状態で供
給するダイレクト型も採用できる。その場合には、燃料
電極において、触媒により燃料材料からプロトンを得
る。

【００４８】また、本実施の形態では、無加湿状態でプ
ロトン伝導可能なイオン交換膜を構成するプロトン伝導
体に、ポリ水酸化フラーレン（通称、フラレノール）を
イオン交換膜を構成するプロトン伝導体として用いた
が、本発明はこれに限定されるものではない。ポリ水酸
化フラーレンは、図３に示したようなフラーレン分子を
母体とし、その構成炭素原子に水酸基を導入したもので
あるが、母体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主
成分とする炭素質材料であればよい。この炭素質材料に
は、炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類を問わず、数
個から数百個結合して形成されている集合体である炭素
クラスターや、チューブ状炭素質（通称カーボンナノチ
ューブ）が含まれていてよい。前者の炭素クラスターに
は、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長球、又
はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素ク
ラスター（図４）や、それらの球構造の一部が欠損し、
構造中に開放端を有する炭素クラスター（図５）、大部
分の炭素原子がｓｐ^３結合したダイヤモンド構造を持つ
炭素クラスター（図６）、さらにはこれらのクラスター
どうしが種々に結合した炭素クラスター（図７）が含ま
れていてよい。

【００４９】またこの種の母体に導入する基としては水
酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表さ
れるプロトン解離性の基であればよい。ここで、Ｘ及び
Ｙは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団で
あり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的に
は、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ_３
Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他にスルホン基−ＳＯ
_３Ｈ、リン酸基−ＯＰＯ（ＯＨ）_２のいずれかであるこ
とが好ましい。

【００５０】上記のいずれの変形例によっても、プロト
ンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果には
変わりはない。

【００５１】

【発明の効果】請求項１記載の燃料電池の製造方法によ
れば、イオン交換膜と対向する燃料電極の対向面を平坦
化する燃料電極平坦化工程を行うため、燃料電極材表面
の凹凸を少なくし、平坦化することができる。このた
め、燃料電極と酸素電極との間において、平坦化された
燃料電極の表面に倣った状態で形成されるイオン交換膜
の厚さも均一にすることができ、イオン交換膜を容易に
より薄くすることができる。また、製品としての燃料電
池の信頼性・性能の向上を図ることができる。

【００５２】請求項２記載の燃料電池の製造方法によれ
ば、燃料電極平坦化工程では、燃料電極の対向面に垂直
の方向から対向面を面一にプレスすることにより対向面
を平坦化するようにしたため、燃料電極材表面の凹凸を
より少なくし、より平坦化することができる。

【００５３】請求項３、６記載の燃料電池の製造方法に
よれば、イオン交換膜は多孔質基体にプロトン伝導体を
含浸させることによって製造されるため、成膜性の悪い
プロトン伝導体をイオン交換膜のプロトン伝導体として
用いる場合にも、容易に製造可能なイオン交換膜とする
ことができる。

【００５４】請求項４記載の燃料電池の製造方法によれ
ば、イオン交換膜のプロトン伝導体は、パーフルオロス
ルホン酸樹脂によって構成されているため、イオン交換
膜内のプロトン伝導をより高めた燃料電池とすることが
できる。

【００５５】請求項５記載の燃料電池の製造方法によれ
ば、イオン交換膜のプロトン伝導体は、炭素を主成分と
する炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入
されてなるものによって構成されているため、燃料無加
湿状態でも良好なプロトン伝導を行う燃料電池とするこ
とができる。

【００５６】請求項７、８記載の燃料電池の製造方法に
よれば、イオン交換膜と対向する酸素電極の対向面を平
坦化する酸素電極平坦化工程を行うため、酸素電極材表
面の凹凸を少なくし、平坦化することができる。このた
め、酸素電極と酸素電極との間において、平坦化された
酸素電極の表面に倣った状態で形成されるイオン交換膜
の厚さも均一にすることができ、イオン交換膜を容易に
より薄くすることができる。また、製品としての燃料電
池の信頼性の向上を図ることができる。

【００５７】請求項９記載の燃料電池の製造方法によれ
ば、酸素電極平坦化工程におけるプレス圧力を、水素極
側電極平坦化工程におけるプレス圧力の約３分の１乃至
５分の１としたため、酸素電極中に十分間隙が形成され
ている状態を保つことができ、酸素電極中で発生する水
が酸素電極内で通り易い燃料電池を製造することができ
る。

【００５８】請求項１０記載の燃料電池の製造方法によ
れば、燃料電極の対向面に垂直の方向から燃料電極を面
一にプレスする燃料電極プレス工程を行うようにしたた
め、燃料電極を細密充填化することができ、プロトン及
び電子の伝導性を高めることができる。

【００５９】請求項１１記載の燃料電池の製造方法によ
れば、燃料電極のプロトン伝導体は、パーフルオロスル
ホン酸樹脂によって構成されているため、燃料電極内の
プロトンをより高めた燃料電池とすることができる。

【００６０】請求項１２記載の燃料電池の製造方法によ
れば、燃料電極のプロトン伝導体は、炭素を主成分とす
る炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入さ
れてなるものによって構成されているため、燃料無加湿
状態でも良好なプロトン伝導を行う燃料電池とすること
ができる。

【００６１】請求項１３記載の燃料電池の製造方法によ
れば、酸素電極の対向面に垂直の方向から酸素電極を面
一にプレスする酸素電極プレス工程を行うようにしたた
め、酸素電極を細密充填化することができ、プロトン及
び電子の伝導性を高めることができる。

【００６２】請求項１４記載の燃料電池の製造方法によ
れば、酸素電極のプロトン伝導体は、パーフルオロスル
ホン酸樹脂によって構成されているため、酸素電極内の
プロトンをより高めた燃料電池とすることができる。

【００６３】請求項１５記載の燃料電池の製造方法によ
れば、酸素電極のプロトン伝導体は、炭素を主成分とす
る炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入さ
れてなるものによって構成されているため、燃料無加湿
状態でも良好なプロトン伝導を行う燃料電池とすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の本実施の形態による燃料電池の要部を
示す側面図。

【図２】本発明による燃料電池１、２を用いて行った実
験における出力電力を示すグラフ。

【図３】

【００】本発明の実施の形態による燃料電池に用いら
れるプロトン伝導体を構成する、フラーレンを示す分子
構造図。

【図４】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、球体又は長球、
又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素
クラスターを示す分子構造図。

【図５】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、球構造の一部が
欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスターを示す
分子構造図。

【図６】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、大部分の炭素原
子がｓｐ^３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラス
ターを示す分子構造図。

【図７】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、複数のクラスタ
ーどうしが種々に結合した炭素クラスターを示す分子構
造図。

【符号の説明】１燃料電池１０燃料電極２０イオン交換膜３０酸素電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電極を製造する燃料電極製造工程
と、酸素電極を製造する酸素電極製造工程と、イオン交換膜を製造するイオン交換膜製造工程と、該燃料電極製造工程により製造された該燃料電極と該酸
素電極製造工程により製造された該酸素電極とを該イオ
ン交換膜製造工程により製造された該イオン交換膜を介
して一体化させる一体化工程とからなる燃料電池の製造
方法において、該燃料電極製造工程中に、若しくは該燃料電極製造工程
の後に、イオン交換膜と対向する該燃料電極の対向面を
平坦化する燃料電極平坦化工程を行うことを特徴とする
燃料電池の製造方法。
【請求項２】該燃料電極平坦化工程では、該燃料電極
の該対向面に垂直の方向から該対向面を面一にプレスす
ることにより該対向面を平坦化することを特徴とする請
求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】該イオン交換膜製造工程では多孔質基体
に該プロトン伝導体を含浸させることにより該イオン交
換膜を製造することを特徴とする請求項１記載の燃料電
池の製造方法。
【請求項４】該プロトン伝導体はパーフルオロスルホ
ン酸樹脂によって構成されていることを特徴とする請求
項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】該プロトン伝導体は、炭素を主成分とす
る炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入さ
れてなるものによって構成されていることを特徴とする
請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】該多孔質基体はポリエチレン又はポリプ
ロピレン又はポリテトラフルオロエチレンからなること
を特徴とする請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】該酸素電極製造工程と同時に、若しくは
該酸素電極製造工程の後に、イオン交換膜と対向する該
酸素電極の対向面を平坦化する酸素電極平坦化工程を更
に行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造
方法。
【請求項８】該酸素電極平坦化工程では、該酸素電極
の該対向面に垂直の方向から該対向面を面一にプレスす
ることにより該対向面を平坦化することを特徴とする請
求項７記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】該酸素電極平坦化工程におけるプレス圧
力は、該水素極側電極平坦化工程におけるプレス圧力の
約３分の１乃至５分の１であることを特徴とする請求項
８記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】該燃料電極平坦化工程の後であって該
一体化工程の前に、該燃料電極にプロトン伝導体を塗布
する燃料極側プロトン伝導体塗布工程を行い、該燃料極側プロトン伝導体塗布工程の後であって該一体
化工程の前に、該燃料電極の該対向面に垂直の方向から
該燃料電極を面一にプレスする燃料電極プレス工程を行
うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方
法。
【請求項１１】該プロトン伝導体はパーフルオロスル
ホン酸樹脂によって構成されていることを特徴とする請
求項１０記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１２】該プロトン伝導体は、炭素を主成分と
する炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入
されてなるものによって構成されていることを特徴とす
る請求項１０記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１３】該酸素電極平坦化工程の後であって該
一体化工程の前に、該酸素電極の該対向面にプロトン伝
導体を塗布する酸素極側プロトン伝導体塗布工程を行
い、該酸素極側プロトン伝導体塗布工程の後であって該一体
化工程の前に、該酸素電極の該対向面に垂直の方向から
該酸素電極を面一にプレスする酸素電極プレス工程を行
うことを特徴とする請求項７記載の燃料電池の製造方
法。
【請求項１４】該プロトン伝導体はパーフルオロスル
ホン酸樹脂によって構成されていることを特徴とする請
求項１３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１５】該プロトン伝導体は、炭素を主成分と
する炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入
されてなるものによって構成されていることを特徴とす
る請求項１３記載の燃料電池の製造方法。