JP2006120519A - 電解質膜・電極狭持体およびその製造方法、該電解質膜・電極狭持体を備えた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に適用できる固体電解質膜に電極を接合する工程において、固体電解質膜にしわや歪を与えずに固体電解質膜と電極よりなる積層体を加圧する。
【解決手段】試料台１２の上に、電解質膜と触媒を担持した電極よりなる電解質膜・電極狭持体１０を設置する。加圧部材２１の背面側（積層体の反対側）に加圧媒体１１を供給する。加圧媒体１１としては空気または液体を用いることができる。加圧媒体１１は、加圧部材２１を介して積層体を均一に加圧する。加圧部材２１は、外力により変形可能であるため、積層体に完全に密着する。これにより、歪がなくしわ等が発生しない電解質膜・電極狭持体１０を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜・電極狭持体およびその製造方法、該電解質膜・電極狭持体を備えた燃料電池に関し、より具体的には、燃料電池の本体に適用可能で、固体電解質膜を両側から電極で狭持した構成をもつ電解質膜・電極狭持体電解質膜・電極狭持体と、その電解質膜・電極狭持体を使用した燃料電池に関する。

温暖化ガスに代表される環境問題の観点から、クリーンエネルギー源としての燃料電池が急ピッチで開発されてきている。特に固体電解質型燃料電池は、低温作動特性を有し、小型で高出力密度であることから研究開発が活発に進められている。その中において電極と電解質の均一な接合は、燃料電池の安定稼動に不可欠である。また、セパレータで狭持される電極周縁の電解質膜は、しわが発生してガスシール性に影響を及ぼすことが知られている。そこで電極の周縁部の電解質膜を弾性体を介在して選択的にホットプレスする手法などが検討されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。しかしながら、従来の技術では電極部の均一な加圧が不十分で、目的の品質を十分に得ることができない。
特開２０００−２２１３４号公報 特開２００２−２６０６８４号公報

本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、
その目的は、固体電解質膜に電極を接合する工程において、固体電解質膜にしわや歪を与えずに、固体電解質膜と電極よりなる積層体を均一に加圧するようにした電解質膜・電極狭持体の製造方法を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、加圧をより簡便に低コストで行なうことである。
さらに本発明の他の目的は、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、温度変化があっても安定した加圧を行ない、さらに高温においても加圧を安定して行なうようにすることである。

さらに本発明の他の目的は、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、使用後に外力による変形が戻り、繰り返し使用可能な部材で加圧を行なうことにより、安定した加圧を繰り返し行なうことができるようにすることである。
さらに本発明の目的は、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、加圧を耐久性、耐薬品性のある材料で行なうことにより、安定した加圧を繰り返し行なうことができるようにすることである。
さらに本発明の他の目的は、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、電解質膜・電極狭持体の接合強度をより高めることである。
さらに本発明の他の目的は、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、加熱を効率的に行ない、より均一に接合された電解質膜・電極狭持体を得ることである。

さらに本発明の他の目的は、固体電解質膜に電極を接合する工程において、固体電解質膜にしわや歪を与えずに、固体電解質膜と電極よりなる積層体を均一に加圧して、均一に接合された電解質膜・電極狭持体を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の電解質膜・電極狭持体を使用して、発電特性が均一でシール製の良好な燃料電池を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記燃料電池において、燃料電池の駆動時間を向上させる燃料を供給することである。
さらに本発明の他の目的は、上記燃料電池において、環境保全性および安全性が高い燃料を供給することである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、固体電解質膜を両側から電極で狭持した電解質膜・電極狭持体の製造方法において、少なくとも前記固体電解質膜と前記電極よりなる積層体を、外力により変形可能な部材を介して気体あるいは液体により加圧することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材を介して加える圧力は、気体により加える圧力であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材を介して加える加力は、液体により加える圧力であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか１記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材は、弾性体であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記弾性部材は、シリコンゴムであることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材を介して気体あるいは液体により前記積層体を加圧する際、該積層体を加熱することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項５記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材を介して気体あるいは液体により前記積層体を加圧する際、該積層体を加圧する媒体を加熱することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれか１記載の製造方法で製造された電解質膜・電極狭持体である。

請求項９の発明は、請求項８に記載の電解質膜・電極狭持体を有し、該電解質膜・電極狭持体に燃料を供給して発電を行なうことを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項９記載の燃料電池において、前記燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１０記載の燃料電池において、前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする。

本発明の電解質膜・電極狭持体の製造方法によれば、固体電解質膜に電極を接合する工程において、固体電解質膜にしわや歪を与えずに、固体電解質膜と電極よりなる積層体を均一に加圧することができる。
さらに本発明の電解質膜・電極狭持体の製造方法によれば、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、加圧をより簡便に低コストで行なうことができる。
さらに本発明の電解質膜・電極狭持体の製造方法によれば、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、温度変化があっても安定した加圧を行ない、さらに高温においても加圧を安定して行なうことができる。

さらに本発明の電解質膜・電極狭持体の製造方法によれば、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、使用後に外力による変形が戻り、繰り返し使用可能な部材で加圧を行なうことにより、安定した加圧を繰り返し行なうことができる。
さらに本発明の電解質膜・電極狭持体の製造方法によれば、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、加圧を耐久性、耐薬品性のある材料で行なうことにより、安定した加圧を繰り返し行なうことができるようにすることができる。
さらに本発明の電解質膜・電極狭持体の製造方法によれば、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、電解質膜・電極狭持体の接合強度をより高めることができる。
さらに本発明の電解質膜・電極狭持体の製造方法によれば、上記の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、加熱を効率的に行ない、より均一に接合された電解質膜・電極狭持体を得ることができる。

また本発明の電解質膜・電極狭持体によれば、固体電解質膜に電極を接合する工程において、固体電解質膜にしわや歪を与えずに、固体電解質膜と電極よりなる積層体を均一に加圧して、均一に接合された電解質膜・電極狭持体を提供することができる。
また本発明の燃料電池によれば、上記の電解質膜・電極狭持体を使用して、発電特性が均一でシール製の良好な燃料電池を提供することができる。
さらに本発明の燃料電池によれば、上記燃料電池において、燃料電池の駆動時間を向上させる燃料を供給することができる。
さらに本発明の燃料電池によれば、上記燃料電池において、環境保全性および安全性が高い燃料を供給することができる。

以下に本発明の実施の形態を添付された図面を参照しながら具体的に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には同じ符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

プロトン伝導型電解質を使用した燃料電池を例にとり、その発電概念図を図１に示す。
図１において、１は燃料電池、２は伝導電解質膜、３はアノード、４はカソード、５はアノード側セパレータ、６はカソード側セパレータ、７はアノード燃料（主に水素やアルコール）の流路となる溝、８カソード燃料（主に空気や酸素）や生成水の流路となる溝である。燃料電池の発電部は、実際には、上記のような燃料電池本体１のように構成されたセルが、多数積み重ねられたセルスタックとして構成される。

燃料電池１は、その基本的構成要素として、中心にイオン伝導体（図１の場合はプロトン伝導体）よりなる伝導電解質膜２を有し、その両側にアノード３およびカソード４が配置された構成を有している。アノード３及びカソード４は、通常、拡散層と触媒とを有して構成され、拡散層で燃料を拡散するとともに、触媒によって反応を促進させる。例えば、アノード３は、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる燃料極で、カソード４は、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる空気極として構成される。また、伝導電解質膜２は、例えば、アノード３とカソード４との間に介装されたフィルム状のイオン導電膜(交換膜)により構成される。

伝導電解質膜２にプロトン伝導型の電解質が使用される場合、アノード３側にプロトン源となるアノード燃料（水素、アルコールなど）が供給されると、アノード３内の触媒作用により、アノード燃料から水素イオンが発生する。このとき、発生する電子は外部回路に流れ出る。そして発生した水素イオンは、伝導電解質膜２を伝搬してカソード４に達する。そしてカソード４に酸化剤（空気、酸素など）からなるカソード燃料が供給されることにより、水素イオンと酸素と外部回路を通して流れてくる電子とが反応し、水が生成される。以上が発電の概念で、これを反応式として表すと以下のようになる。

アノード反応；Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^-（水素燃料の場合）
カソード反応；２Ｈ⁺ ＋ １／２Ｏ₂ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ
全反応；Ｈ₂＋１／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ

上記のようなアノード３およびカソード４の電極（以下単電極とする）により伝導電解質膜２が狭持されて積層された積層体を、ここでは電解質膜・電極狭持体とする。この電解質膜・電極狭持体において、上記電極と、触媒と、電解質との界面が十分形成されていることが必要である。

上記電解質膜・電極狭持体の製造方法として、平板によるホットプレスを用いる方法が一般的であるが、固体の伝導電解質膜２に電極を積層した面を平板で均一に加圧することは困難であった。また従来の加圧方法では、電極周辺にしわなどの歪が生じ、これにより、セパレータ５，６で電解質膜・電極狭持体を狭持する際に、ガスシール性に問題が生じた。
そこで本発明では、均一な電解質膜・電極狭持体を、均一な加圧と加熱によって得ることができるようにした。ここでは、加圧する部材は被加圧面に対してフレキシブルであることが望ましい。

図２は、本発明の電解質膜・電極狭持体の製造方法の一実施形態を説明するための図で、電解質膜・電極狭持体を加圧するための加圧装置の概略構成を示すものである。図２（Ａ）は加圧装置の垂直断面の概略図、図２（Ｂ）は加圧装置の上面概略図である。
図２において、１０は電解質膜・電極狭持体、１１は加圧媒体、１２は試料台、１３は上側平板、１４は下側平板、１５はギャップ固定部材、１６は加圧媒体供給口、１７は排気（排液）口、１８は圧力計、１９はバルブ、２０はジョイント、２１は加圧部材である。

図２の装置により伝導電解質膜と電極とを加圧して電解質膜・電極狭持体を製造することができる。ここでは、まず、試料台１２の上に、伝導電解質膜２と触媒を担持した電極（アノード３、カソード４）よりなる積層体（電解質膜・電極狭持体１０）を設置する。試料台１２は下側平板１４に固定され、上側平板１３には、外力により変形可能な加圧部材２１が固定されている。これら下側平板１４と上側平板１３との間には、これらの間のギャップを固定するギャップ固定部材１５が配置されている。

そして、加圧部材２１の背面側（電解質膜・電極挟持体１０の反対側）に加圧媒体１１を供給する。加圧媒体１１としては、ここでは空気を用いることができる。この場合、ジョイント２０に空気供給パイプを接続して、バルブ１９を開放にして空気供給パイプから空気を加圧部材２１の背面側に供給する。このとき、空気は加圧媒体供給口１６より、平板１３，１４間の加圧部材２１背面側に供給され、加圧部材２１を介して電解質膜・電極挟持体１０を均一に加圧する。加圧部材２１は、外力により変形可能であるため、電解質膜・電極挟持体１０に完全に密着する。

このときの加圧圧力は、圧力計１８により確認することができ、必要な圧力に達した時点でバルブ１９を閉じて加圧を維持する。また、加圧が過剰になったときは、排気(液)口１７より加圧媒体を排出させて、加圧された圧力を調節することができる。

加圧する際の電解質膜・電極狭持体１０は、試料台１２に直接設置してあってもよく、また試料台１２の上にシリコンゴムやフッ素ゴムなどの離型性の良い弾性部材を設置し、その弾性部材の上に設置してもよく、図示する構成に限定されない。

加圧媒体１１としては、上記空気の他、窒素やアルゴンなどの不活性な気体を用いることができる。
また加圧媒体１１として空気を用いることで、エアコンプレッサなどによる加圧媒体１１の供給、および排出を簡便に行なうことができる。図２の装置では、加圧媒体供給口１６から、必要な圧力が得られるまで空気を供給し続け、加圧終了後は排気口１７より排気を行なうことで加圧が解除される。空気は、加圧媒体として最も安価であり、取り扱いが容易である。

また加圧媒体１１としては、気体のみならず液体を用いてもよく、例えば、水、不活性溶媒の他に耐熱性のあるオイル等を用いることができる。例えば、加圧媒体供給口１６より、必要な圧力が得られるまでオイルを供給することにより、加圧部材２１の加圧を行なうことができる。液体による加圧は、気体に比べて温度変化による体積の増減が少なく、より安定した加圧を行なうことが可能である。また、１００℃以上の高温加熱を行なう場合は、水などの沸点の低い液体では、気液が混合した状態となって圧力が不安定となるため、耐熱性のあるオイルなどを用いるとよい。

また加圧部材２１としては、外力により変形して電解質膜・電極狭持体１０に対して密着できるものであれば使用可能である。具体的には、例えば、アルミ、銅、鉄などの金属の薄板や、天然ゴム、合成ゴムを用いることができ、さらにはウレタンゴムやシリコンゴム、フッ素ゴムなど弾性樹脂を用いることができる。一般に、ホットプレスで用いられる鉄板などの平板においては、厚みの厚い部分が先に加圧される。すなわち、電解質膜・電極狭持体１０の電極部と電極周辺部に圧力の違いが生じ、電解質膜・電極狭持体１０にしわが発生するが、本実施形態によりこれらの不具合を防ぐことができる。

さらに上記の加圧部材２１は、空気や液体により伝導電解質膜２と電極との接合に必要な圧力で変形し、かつ加圧媒体１１が透過しないことが必要である。
例えば、加圧により伝導電解質膜２と電極の形状に沿って均一に圧力がかかるよう変形する材料として、金属の薄板が利用できるが、このような材料は、加圧が解除された後も変形が戻らないため、繰り返し使用することができない。

従って、加圧部材２１に用いる材料としては、加圧後に加圧が解除されたときに、もとの形状に戻る弾性体を用いることが好ましい。また加熱条件下においても変質や弾性特性に変化が少ない部材を用いることにより、下記のような加熱条件においても均一に加圧することができる。このような部材としてシリコンゴムを用いることは、耐熱性があることと、かつ電解質膜・電極狭持体１０に含まれる薬品による腐食がないため、より望ましい。

さらに電解質膜・電極狭持体１０の加圧時において、同時に熱を加えることにより伝導電解質膜２と電極との密着力がより強固なものとなる。加熱方法としては、図２の加圧装置全体を高温環境に置いて加熱する方法をとることができ、この場合は、加圧装置に加熱制御部を付加する必要がないので、最も簡便に加熱を行うことができる。

このとき、温度変化による加圧媒体１１の体積変化を調節するため、排気口１７から加圧媒体１１を排出してもよい。または目的の温度条件で加圧圧力が得られるように加圧媒体１１の量を設定してから、加圧装置を加熱するようにしてもよい。また別の形態として図２の加圧媒体供給口１６、加圧部材２１の下側、あるいは試料台１２の上側等に熱源を設置しておき、それら熱源により各部材を加熱して電解質膜・電極狭持体１０を加熱するようにしてもよい。

さらに別の形態として、加圧装置の各平板１３，１４を加熱しておくことで、電解質膜・電極狭持体１０を加熱することができる。また加熱効率がよい形態として、図示しない熱源により加圧媒体１１を加熱することにより、加圧部材２１を介して電解質膜・電極狭持体１０を加熱することができる。いずれの場合にも、加熱においては、気体の体積膨張が起こるため、電解質膜・電極狭持体１０に対する圧力の変化を制御しなければならない。

上記のような加圧処理によって得られた電解質膜・電極狭持体１０は、均一な加圧が行なわれたことにより、電解質、電極、触媒の界面が十分均一に形成されている。また電極と電極周辺部とを均一な圧力で加圧することにより、電極周辺部の電解質の歪によって生じる電解質のしわが少なくなり、シール性に優れた燃料電池を得ることができる。

燃料電池に用いる燃料としては、気体燃料、液体燃料のいずれも可能であるが、上記製造方法で製造された電解質膜・電極狭持体１０は、均一な加圧により接合状態にムラがないため、液体燃料による電解質の膨張による剥がれが起こりにくい。よって液体燃料の使用が可能であり、触媒部への燃料の拡散性が維持された、すぐれた性能を発揮する。

燃料電池の燃料として、具体的には、水素、ガソリン、液体状炭化水素、液体状アルコールなどの液体状燃料が使用できるが、燃料電池本体の小型化が可能な点、体積エネルギー密度に優れる点、さらに燃料が電極において酸化されやすい点によりアルコール燃料を使用することが好ましい。なかでも、炭素数４以下のアルコールを使用することが好ましく、さらに好ましくは、安全性が高く、生合成が可能である点（環境面）からエタノールを使用することが好ましい。

図３は、上記のような燃料電池を使用した電源システムの構成例を説明するための概略図である。
燃料容器５０には、アノード燃料５１が充填されている。本例では、カソード燃料としては、空気を用いるものとし、アノード燃料としてエタノール等の水素を含む液体燃料（アルコール類）を用いるものとする。燃料容器５０は、燃料電池本体１が備えられる発電モジュール３０に接続され、発電モジュール３０で発電された電気エネルギーにより、負荷４０を駆動することができる。

発電モジュール３０は、発電部である燃料電池本体１と、燃料電池本体１の出力を制御するための出力制御部３２と、負荷４０の駆動状態に応じて出力制御部３２の動作を制御する動作制御部３１とを有している。

上記発電モジュール３０において、動作制御部３１は、負荷４０の駆動状態に関する情報（負荷駆動情報）に基づいて、燃料電池本体１の発電状態を制御する。具体的には、動作制御部３１は、燃料電池本体１が駆動していない状態で負荷４０を起動させる指令を検出した場合に、出力制御部３２に対して燃料電池本体１を起動させるための動作制御信号を出力し、また、燃料電池本体１が駆動している状態で、負荷４０を停止する指令を検出した場合は、出力制御部３２に対して、燃料電池本体１を停止させるための動作制御信号を出力する。

また、動作制御部３１は、燃料電池本体１が駆動している状態で、負荷４０の駆動状態の変動を検出した場合には、出力制御部３２に対して、燃料電池本体１から負荷４０に供給される電気エネルギーが、負荷４０の駆動状態に対応した適切な値となるように、燃料電池本体１における電気エネルギーの発生量（発電量）を調整するための動作制御信号を出力する。

出力制御部３２は、上記動作制御部３１からの動作制御信号に基づいて、燃料電池本体１への発電用燃料（アノード燃料）の供給量を制御する燃料制御部３３と、燃料電池本体１へのカソード燃料（ここでは空気）の供給量を制御する空気制御部３４と、アノード燃料を改質して、アノード燃料に含有される水素をガス化して供給する改質部３５と、液体燃料からの燃料や水により自発的に発電し、少なくとも負荷４０がオフの時に、燃料制御部３３、空気制御部３４、改質部３５に電力を供給する副発電部３６と、を有して構成されている。

副発電部３６は、燃料容器５０に連通する管から毛細管現象により送出された液体燃料が改質器なしに直接供給されることにより発電する直接型燃料電池、あるいは燃料容器５０から送出された液体燃料が気化する際に上昇する圧力でタービンを回転し発電するガスタービン型やロータリーエンジン型発電器により構成することができる。また副発電部３６は、少なくとも負荷４０がオフ時に、動作制御部３１が負荷駆動情報をモニタリングするために必要な電力を動作制御部３１に供給するとともに、オフ時の待機電力を負荷４０に供給する。

空気制御部３４は、燃料電池本体１のカソード４に供給する酸素ガスの量を電気的にポンプを駆動して供給するように設定されていてもよく、また、燃料電池本体１における単位時間当たりの酸素の最大消費量に相当する空気（大気）を供給できるものであれば、大気と燃料電池本体１とが連通した通気孔として構成してもよい。燃料電池本体１における電気化学反応に用いられる量の空気が、通気孔を介して常時供給されるように構成することで、出力制御部３２は、電気化学反応の進行状態を燃料制御部３３のみで制御することができる。

なお、上述したような電気化学反応により負荷４０に供給される駆動電力は、図３のシステムにおいては燃料電池本体１のアノード３に供給される水素ガス（Ｈ_２）の量に依存する。したがって、改質部３５によって燃料電池本体１のアノード３に供給される水素ガス（Ｈ_２）の量を制御することにより、すなわち、燃料制御部３３によってアノード燃料の量を制御することにより、負荷４０に供給される電気エネルギーを任意に調整することができる。
また、図４は、燃料電池を使用した電源システムの他の構成例を説明するための概略図で、図３の改質部３５を用いずに燃料制御部３３から直接に燃料電池本体１にアノード燃料を供給する構成を示すものである。図４の直接液体燃料供給システムにおいては、燃料電池本体１のアノード３に供給される液体燃料の量に依存する。したがって、燃料制御部３３によってアノード燃料の量を制御することにより、負荷４０に供給される電気エネルギーを任意に調整することができる。図４の他の要素については、図３と同様であるので、その繰り返しの説明は省略する。

（実施例１）
触媒を担持したカーボンを付着させたカーボン電極を伝導電解質膜(ナフィオン115、Dupon社製)の両側に配置した積層体（電解質膜・電極狭持体１０）を用意し、この積層体を図２に示す加圧装置の試料台１２に設置した。続いて加圧装置の平板１３，１４間のギャップをギャップ固定部材１５により固定した。そして窒素ガスボンベをジョイント２０と接続して稼動し、バルブ１９を開放して加圧媒体供給口１６から窒素ガスを供給した。

加圧部材２１としては、弾性部材であるシリコンゴムを使用し、加圧媒体供給口１６より供給された窒素ガスにより、そのシリコンゴムを介して上記積層体をプレスした。そして圧力計が５０ａｔｍになったところでバルブ１９を閉じ、そのときの加圧状態を１時間保持した。これにより、シリコンゴムが接触している全ての点において均一な加圧が行なわれ、得られた電解質膜・電極狭持体１０は、電極と電極周辺部に歪によるしわが発生しなかった。

（実施例２）
触媒を担持したカーボンを付着させたカーボン電極を伝導電解質膜(ナフィオン115、Dupon社製)の両側に配置した積層体（電解質膜・電極狭持体１０）を用意し、この積層体を図２に示す加圧装置の試料台１２に設置した。続いて加圧装置の平板１３，１４間のギャップをギャップ固定部材１５により固定した。そして空気をエアコンプレッサに供給し、ジョイント２０とエアコンプレッサとを接続して稼動し、バルブ１９を開放して加圧媒体供給口１６から空気を供給した。

加圧部材２１としては、弾性部材であるシリコンゴムを使用し、加圧媒体供給口１６より供給された空気により、そのシリコンゴムを介して上記積層体をプレスした。そして圧力計が５０ａｔｍになったところでバルブ１９を閉じ、そのときの加圧状態を保持した。

ここでエアコンプレッサと加圧装置とを切り離し、恒温漕に加圧状態の加圧装置を設置した。恒温槽は、１２０−１３０℃に保持し、５０ａｔｍを超えた圧力を排気口１７から排出して、圧力を一定に保った。１３０℃で１０分加熱した後、冷却して上記積層体を取り出した。これにより、シリコンゴムが接触している全ての点において均一な加圧が行なわれ、得られた電解質膜・電極狭持体１０は、電極と電極周辺部に歪によるしわがほとんど発生しなかった。

（実施例３）
触媒を担持したカーボンを付着させたカーボン電極を伝導電解質膜(ナフィオン115、Dupon社製)の両側に配置した積層体（電解質膜・電極狭持体１０）を用意し、この積層体を図２に示す加圧装置の試料台１２に設置した。続いて加圧装置の平板１３，１４間のギャップをギャップ固定部材１５により固定した。そして空気をエアコンプレッサに供給し、ジョイント２０とエアコンプレッサを接続して稼動し、バルブ１９を開放して加圧媒体供給口１６から空気を供給した。

加圧部材２１としては、弾性部材であるシリコンゴムを使用し、加圧媒体供給口１６より供給された空気により、そのシリコンゴムを介して上記積層体をプレスした。そして圧力計が５０ａｔｍになったところでバルブ１９を閉じ、そのときの加圧状態を保持した。

ここでエアコンプレッサと加圧装置とを切り離し、恒温漕に加圧状態の加圧装置を設置した。恒温槽は、１６０℃に保持し、５０ａｔｍを超えた圧力を排気口１７から排出して、圧力を一定に保った。１６０℃で１０分加熱した後、冷却して上記積層体を取り出した。このとき、冷却による加圧媒体（空気）１１の収縮が生じ、加圧力が低減しないように空気の補充を行なった。これにより温度変化に関わらず、シリコンゴムが接触している全ての点において均一な加圧が行なわれ、しわが確認されなかった。またシリコンゴムの変質も観察されなかった。

（実施例４）
触媒を担持したカーボンを付着させたカーボン電極を伝導電解質膜(ナフィオン115、Dupon社製)の両側に配置した積層体（電解質膜・電極狭持体１０）を用意し、この積層体を試料台１２に設置した。続いて加圧装置の平板１３，１４間のギャップをギャップ固定部材１５により３ｃｍとなるように固定した。そして加圧用ポンプにシリコンオイルを供給し、その加圧ポンプをジョイント２０に接続して稼動して、バルブ１９を開放して加圧媒体供給口１６からシリコンオイルを供給した。

加圧部材２１としては、弾性部材であるシリコンゴムを使用し、加圧媒体供給口１６より供給されたシリコンオイルにより、そのシリコンゴムを介して上記積層体をプレスした。そして圧力計が５０ａｔｍになったところでバルブ１９を閉じ、そのときの加圧状態を保持した。

ここで加圧ポンプと加圧装置を切り離し、恒温漕に加圧状態の加圧装置を設置した。恒温槽は１６０℃に保持し、５０ａｔｍを超えた圧力を排液口１７から排出して、圧力を一定に保った。１６０℃で５分加熱した後、冷却して上記積層体を取り出した。これによりシリコンゴムが接触している全ての点において均一な加圧が行なわれ、得られた電解質膜・電極狭持体１０は、電極と電極周辺部に歪によるしわが発生しなかった。

（比較例１）
比較例の加圧装置を図４に示す。触媒を担持したカーボンを付着させたカーボン電極を伝導電解質膜(ナフィオン115、Dupon社製)の両側に配置した積層体（電解質膜・電極狭持体１０）を用意し、その積層体を平板よりなるホットプレス装置に設置した。平板の加圧板２２により加圧しながら加熱を行なった。ここでは、５０ａｔｍ、１２０℃による加圧・加熱を５分行なったのち、加圧・加熱を解除した。この結果、加圧板２２に接触した電極部には歪が見られなかったが、電極周辺の電解質にしわが発生した。

プロトン伝導型電解質を使用した燃料電池を示す発電概念図である。 本発明の電解質膜・電極狭持体の製造方法の一実施形態を説明するための図である。 燃料電池を使用した電源システムの構成例を説明するための概略図である。 燃料電池を使用した電源システムの他の構成例を説明するための概略図である。 電解質膜・電極狭持体の製造方法における比較例を実施した加圧装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…伝導電解質膜、３…アノード、４…カソード、５，６…セパレータ、１０…電解質膜・電極狭持体、１１…加圧媒体、１２…試料台、１３，１４…平板、１５…ギャップ固定部材、１６…加圧媒体供給口、１７…排気（排液）口、１８…圧力計、１９…バルブ、２０…ジョイント、２１…加圧部材、２２…加圧板、３０…発電モジュール、３１…動作制御部、３２…出力制御部、３３…燃料制御部、３４…空気制御部、３５…改質部、３６…副発電部、４０…負荷、５０…燃料容器、５１…アノード燃料。

Claims (11)

1. 固体電解質膜を両側から電極で狭持した電解質膜・電極狭持体の製造方法において、少なくとも前記固体電解質膜と前記電極よりなる積層体を、外力により変形可能な部材を介して気体あるいは液体により加圧することを特徴とする電解質膜・電極狭持体の製造方法。
2. 請求項１記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材を介して加える圧力は、気体により加える圧力であることを特徴とした電解質膜・電極狭持体の製造方法。
3. 請求項１記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材を介して加える加力は、液体により加える圧力であることを特徴とした電解質膜・電極狭持体の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材は、弾性体であることを特徴とする電解質膜・電極狭持体の製造方法。
5. 請求項４記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記弾性部材は、シリコンゴムであることを特徴とする電解質膜・電極狭持体の製造方法。
6. 請求項１記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材を介して気体あるいは液体により前記積層体を加圧する際、該積層体を加熱することを特徴とする電解質膜・電極狭持体の製造方法。
7. 請求項５記載の電解質膜・電極狭持体の製造方法において、前記外力により変形可能な部材を介して気体あるいは液体により前記積層体を加圧する際、該積層体を加圧する媒体を加熱することを特徴とする製造方法。
8. 請求項１ないし７のいずれか１記載の製造方法で製造された電解質膜・電極狭持体。
9. 請求項８に記載の電解質膜・電極狭持体を有し、該電解質膜・電極狭持体に燃料を供給して発電を行なうことを特徴とした燃料電池。
10. 請求項９記載の燃料電池において、前記燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
11. 請求項１０記載の燃料電池において、前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする燃料電池。