(57)【要約】【課題】  セパレータにカーボンナノチューブ等を用いた電極を一体構造とした燃料電池用構造体およびそれを用いた燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池セパレータにおいて、導電性とガス透過性を有する電極層とセパレータ流路の骨格部から構成され、該セパレータと電極層が一体構造であることを特徴とする燃料電池用構造体。また、上記電極層が、物質移動用の流路となる空間部分にブリッジ、ないし蓋をかぶせるように形成してなる燃料電池用構造体。さらに、上記の電極層が、カーボンナノチューブ、または／および類似の３次元構造を有する導電性物質からなる燃料電池用構造体。【選択図】      図３
2010153161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セパレータにおいて、導電性とガス透過性を有する電極層とセパレータ流路の骨格部から構成され、該セパレータと電極層が一体構造であることを特徴とする燃料電池用構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の電極層が、物質移動用の流路となる空間部分にブリッジ、ないし蓋をかぶせるように形成してなることを特徴とする燃料電池用構造体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電極層が、カーボンナノチューブ、または／および類似の３次元構造を有する導電性物質からなることを特徴とする燃料電池用構造体。
【請求項４】
セパレータ流路が溝型の際、該溝の最大幅を、０．０１ｍｍ〜１ｍｍとした請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用構造体。
【請求項５】
セパレータ流路を形成する骨格部が粉末粒子であり、該流路となる空間部分が、各粉末粒子の表面によって囲まれた空間から構成された請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用構造体。
【請求項６】
電極層に触媒を担持させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用構造体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用構造体を用いてなることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータにカーボンナノチューブ等を用いた電極を一体構造とした燃料電池用構造体およびそれを用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水の生成反応を用いる燃料電池は、地球環境に優しいクリーンエネルギー源として注目されており発電出力の向上が期待されている。この燃料電池の作製においては、通常、電解質膜を両側から挟み込むように、電極として使用される触媒担持されたカーボンシートをプレス加工等によって電解質膜に両側から接合することで、膜電極接合体（以下、ＭＥＡとする）を作製する。次に、得られたＭＥＡを、両側からさらに挟み込むように、ボルト等の締め付けによって、セパレータが両側から圧着される。
【０００３】
一方、セパレータには、ＭＥＡの触媒層近傍からの化学反応によって生じる電子を、出力用の外部回路に取り出すという重要な機能がある。従って、ＭＥＡを構成する電極層と、セパレータ流路の骨格部の接触状態を、より密着性に優れたものとすることは、接触抵抗低下による出力ロスの低減が可能となることから大変重要となる。また、電極層をセパレータ流路に密着させる場合でも、水素源、酸素源等の必要物質の供給や、生成水等の排出に用いられる流路用空間部を保つことが重要である。また、電極の多孔体構造は、反応に必要な物質の移動性に影響するため重要であり、さらに、電極を構成する多孔体構造物の表面積は、担持される触媒の均一分布、および、その近傍での反応効率に大きく影響するため重要となる。
【０００４】
燃料電池の出力向上には、上記に述べたように、流路用の空間を保ちながら、電極とセパレータの接合特性を向上させて、接触抵抗を低減することが重要であるが、従来は、前述のように、作製されたＭＥＡの電極層を、セパレータ流路の骨格部に、ボルト等を締め付けることによって、圧着させるという手法を用いるため、電極面とセパレータ流路骨格部の接触が不十分となり、接触抵抗の増大によって発電ロスが大きくなるという問題がある。また、ボルト等の圧着によって電極とセパレータを接触させるという組み立て作業は、作業状態のばらつきによる不安定な接触状態を生み出す可能性も高く、同様に発電ロスが大きくなる。
【０００５】
また、従来の電極層に用いられるカーボンシート等の多孔体構造の場合、多孔体構造内に層状又は膜状の構造を有するカーボンも存在しうるため、これらの壁状構造が、物質移動の妨げとなり出力の低下を招くことが懸念される。さらに、カーボンナノチューブ等の微小構造物の集合体と比べると、カーボンシートの場合、構造体の表面積が小さいため、触媒を均一且つ高密度に担持させることが難しく、全ての触媒が有効に利用されていないという問題がある。これらの改善を目的とし、例えば、特開２００７−１７３０３９号公報（特許文献１）があり、ＭＥＡ、及びセパレータの各表面に対して垂直方向に、カーボンナノチューブを主体とした導電性繊維をいくつも形成し、それらを加圧して一体化するという手法が提案されている。
【特許文献１】特開２００７−１７３０３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１のような、ＭＥＡ、及びセパレータの各表面に対して垂直方向に、カーボンナノチューブを主体とした導電性繊維をいくつも形成し、それらを加圧して一体化するという方法では、通常、セパレータ表面には、凹凸のある流路が形成されており、その凹凸の存在する表面に、導電性繊維をどのように接合するのかという提案が含まれていない。また、仮に、流路となる凹部にこれらの、導電性繊維が深く入りこんだ形で接続された場合、流路内を流れる物質の移動の妨げとなる可能性もあり発電性能の低下を招く。また、上記手法では、加工工程が非常に複雑であるという課題も有する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、燃料電池セパレータにおいて、カーボンナノチューブ等からなる、導電性とガス透過性を有する電極層を、セパレータ流路の骨格部に直接結合させることで、セパレータと電極層が一体化構造を有し、且つ、物質移動用の流路となる空間部分に対して、電極層がブリッジを形成するように、又は、蓋をかぶせるような構造を有する、セパレータと電極が一体化した構造体、およびその構造体を用いた燃料電池を提供するものである。
【０００８】
その発明の要旨とするところは、
（１）燃料電池セパレータにおいて、導電性とガス透過性を有する電極層とセパレータ流路の骨格部から構成され、該セパレータと電極層が一体構造であることを特徴とする燃料電池用構造体。
（２）前記（１）に記載の電極層が、物質移動用の流路となる空間部分にブリッジ、ないし蓋をかぶせるように形成してなることを特徴とする燃料電池用構造体。
【０００９】
（３）前記（１）または（２）に記載の電極層が、カーボンナノチューブ、または／および類似の３次元構造を有する導電性物質からなることを特徴とする燃料電池用構造体。（４）セパレータ流路が溝型の際、該溝の最大幅を、０．０１ｍｍ〜１ｍｍとした請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用構造体。
（５）セパレータ流路を形成する骨格部が粉末粒子であり、該流路となる空間部分が、各粉末粒子の表面によって囲まれた空間から構成された前記（１）〜（４）のいずれか１に記載の燃料電池用構造体。
【００１０】
（６）電極層に触媒を担持させたことを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１に記載の燃料電池用構造体。
（７）前記（１）〜（６）のいずれか１に記載の燃料電池用構造体を用いてなることを特徴とする燃料電池にある。
【発明の効果】
【００１１】
以上述べたように、本発明により、接触抵抗を低く保つことが可能となり、また、電極層とセパレータの結合に際し、ボルトの締め付け等による圧着作業が不要となるため、作業の不均一性による密着度合いのばらつきも低減できる。さらに、電解質膜と電極層をプレス加工等で圧着して作製するという従来のＭＥＡ作製に必要な工程を省略できる。また、電極層内の物質移動性を高めることが可能となる。加えて、カーボンナノチューブ等からなる３次元微小構造体によって、表面積が大きく増大されるため、均一且つ高密度に触媒を担持させることが可能となる。その結果、発電出力の大幅な向上が可能となる等極めて優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について、図面に従って詳細に説明する。
図１は、基本的な燃料電池用構造体の概念図である。この図１に示すように、電解質膜Ａの両側にそれぞれ触媒を含む電極Ｂが積層され、各々の触媒を含む電極ＢにセパレータＣが積層されることにより構成されている。このセパレータＣはセパレータ流路部Ｄにより構成されている。
【００１３】
図２は、本発明に係るセパレータ流路部にカーボンナノチューブからなる電極層を直接結合する一体化構造の図である。この図２に示すように、図１のセパレータ流路部Ｄに溝型を有するセパレータにおいて、流路空間に対してブリッジ状となるように、セパレータの骨格部１に、カーボンナノチューブからなる３次元構造体を直接結合した一体構造体からなる電極層４が両側に位置し、中心に電解質膜３が位置する燃料電池用構造体からなる。符号２はセパレータの流路部を示す。
【００１４】
図３は、本発明に係るセパレータ流路部にカーボンナノチューブからなる電極層を直接粉末粒子部に結合した一体構造体の図である。この図３に示すように、図１のセパレータ流路部Ｄ関して、粉末粒子５を流路形成に用いたセパレータにおいて、カーボンナノチューブからなる３次元構造体を、流路空間６に対してブリッジ状となるように、直接、粉末粒子部に結合した一体構造体であって、この一体構造体が両側に位置し、中心に電解質膜３が位置する燃料電池の構造図である。
【００１５】
本発明に係るセパレータ流路が溝型の場合において、その溝の最大幅を、０．０１ｍｍ〜１ｍｍとした理由は、最大幅を０．０１ｍｍ未満と小さくすると、水素源、酸素源の供給や、生成水等の排出が困難となり、発電出力の低下を招くためである。また、１ｍｍ以下であれば流路空間部に対して、カーボンナノチューブ等の３次元構造導電体を、ブリッジ状に直接形成することが可能となる。しかし、１ｍｍを超えると流路空間部に対して、ブリッジ状に形成させることが困難となる。したがって、最適範囲として０．０１〜１ｍｍとした。また、本発明に係る３次元構造を有する導電性物質とは、例えば、カーボンナノファイバー、カーボンナノワイヤー、カーボンナノホーン、カーボンナノリング等も含まれる。
【００１６】
粉末粒子としては、カーボン、金属、金属合金等からなるセパレータであって、このセパレータに、上記３次元構造を有する導電性物質としてのカーボンナノチューブ等を用いたカーボン多孔体と直接成膜し、燃料電池等の電極として使用する。さらに、カーボン膜の内部、または表面に触媒を含むものとする。この時、カーボン材が成膜されたセパレータの最表面は多孔体構造を有するものとする。このようにして、成膜基板となる多孔体の３次元構造と成膜用のカーボンナノチューブ等が有する複雑な３次元構造によって、基板と膜の優れた密着性が得られるため、接触抵抗の低減が可能となる。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
図２に示すように、セパレータ流路部に溝型を有するセパレータにおいて、溝幅：０．５ｍｍ、溝深さ：０．８ｍｍの流路空間部上に対してブリッジ状になるように、Ｐｔ触媒が担持されたカーボンナノチーブからなる３次元構造体を直接結合した一体構造体を両側に位置し、中心にナフォン１１７からなる電解質膜を形成した燃料電池用構造体を供試材とした。この供試材を用いて燃料電池した結果、セパレータの骨格部に、Ｐｔ触媒の担持されたカーボンナノチーブからなる３次元構造体を直接結合した一体構造体とし、お互いに直接接触させることで、電解質膜とセパレータとの間の接触抵抗をより低減することができるとともに、電解質膜とセパレータとの接合強度をより向上させることができた。
【００１８】
（実施例２）
図３に示すように、セパレータ流路部において、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末粒子で、粉末粒子表面によって囲まれた空間を形成し、粒子径が７５〜７００μｍのセパレータの骨格部を構成した。また、このセパレータの骨格部に、Ｐｔ触媒の担持されたカーボンナノチーブからなる３次元構造体の電極層を直接結合した一体構造体を両側に位置し、中心にナフォン１１７からなる電解質膜を形成した燃料電池用構造体を供試材とした。この供試材を用いて燃料電池した結果、セパレータの骨格部に、Ｐｔ触媒が担持されたカーボンナノチーブからなる３次元構造体を直接結合した一体構造体とし、お互いに直接接触させることで、実施例１と同様に、電解質膜とセパレータとの間の接触抵抗をより低減することができるとともに、電解質膜とセパレータとの接合強度をより向上させることができた。
【００１９】
前述したように、カーボンナノチューブ等の３次元構造導電物質を、セパレータ流路の空間部分に対してブリッジ状となるように、セパレータ骨格部に直接接合した一体化構造とすることで、必要物質の供給や生成物の排出に用いられる物質移動用の流路を十分に保つことが可能となり、同時に、電極層とセパレータ流路の骨格部が一体化結合されるため、接触抵抗を低く保つことが可能となる。また、電極層とセパレータの結合に際し、ボルトの締め付け等による圧着作業が不要となるため、作業の不均一性による密着度合いのばらつきも低減できる。さらに、電解質膜と電極層をプレス加工等で圧着して作製するという従来のＭＥＡ作製に必要な工程を省略できる。
【００２０】
さらに、カーボンナノチューブ等が３次元状に絡み合った構造から得られる３次元空間によって、電極層内の物質移動性を高めることが可能となる。加えて、カーボンナノチューブ等からなる３次元微小構造体によって、表面積が大きく増大されるため、均一且つ高密度に触媒を担持させることが可能となる。以上の効果によって、発電出力の大幅な向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】基本的な燃料電池用構造体の概念図である。
【図２】本発明に係るセパレータ流路部にカーボンナノチューブからなる電極層を直接結合する一体化構造の図である。
【図３】本発明に係るセパレータ流路部にカーボンナノチューブからなる電極層を直接粉末粒子部に結合した一体構造体の図である。
【符号の説明】
【００２２】
Ａ：電解質膜
Ｂ：電極（触媒含む）
Ｃ：セパレータ
Ｄ：セパレータ流路部
１  セパレータの骨格部
２  セパレータの流路部
３  電解質膜
４  カーボンナノチューブからなる電極層
５  粉末粒子
６  流路空間
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人    弁理士    椎  名    彊
【図１】
2010153161.tif 000003
【図２】
2010153161.tif 000004
【図３】
2010153161.tif 000005