(57)【要約】【課題】発電効率のよい燃料電池を実現できる触媒層の製造方法の提供。【解決手段】プロトン伝導性高分子と揮発性を有する溶剤とを含む第一原料３００に電荷を付与して帯電させる第一帯電工程と、第一原料３００を空間中に流出させる第一流出工程と、第一原料３００が静電爆発することにより繊維３０１が製造される繊維製造工程と、導電体３０２を含む第二原料３０４に電荷を付与して帯電させる第二帯電工程と、前記第二原料を空間中に流出させる第二流出工程と、触媒３０３を含む第三原料３０５に電荷を付与して帯電させる第三帯電工程と、第三原料３０５を空間中に流出させる第三流出工程と、第一原料３００と前記第二原料３０４と前記第三原料３０５とを空間中で混合する混合工程と、混合物を堆積させる堆積工程とを含む。【選択図】図１
2010049845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性高分子と揮発性を有する溶剤とを含む第一原料に電荷を付与して前記第一原料を帯電させる第一帯電工程と、
前記第一原料を空間中に流出させる第一流出工程と、
前記第一原料が静電爆発することによりプロトン伝導性高分子からなる繊維が製造される繊維製造工程と、
導電体を含む第二原料に電荷を付与して前記第二原料を帯電させる第二帯電工程と、
前記第二原料を空間中に流出させる第二流出工程と、
触媒を含む第三原料に電荷を付与して前記第三原料を帯電させる第三帯電工程と、
前記第三原料を空間中に流出させる第三流出工程と、
前記第一原料と前記第二原料と前記第三原料とを空間中で混合する混合工程と、
前記繊維と前記導電体と前記触媒とを被堆積部材上に堆積させる堆積工程と
を含む燃料電池用触媒層製造方法。
【請求項２】
前記第二帯電工程と第三帯電工程とにおいて、触媒の帯電極性と導電体の帯電極性とが異なる極性となるように付与する電荷の極性を調整し、
前記混合工程においては、前記第二原料と第三原料とを混合することにより導電体と触媒とが接合した担持体を形成し、第一原料を混合して前記繊維と前記担持体とを接合させる
請求項１に記載の燃料電池用触媒層製造方法。
【請求項３】
前記混合工程において、形成された担持体の帯電極性が前記繊維の帯電極性と逆の極性で帯電するように、
前記第一帯電工程と前記第二帯電工程と前記第三帯電工程とにおいて、前記第一原料と前記第二原料と前記第三原料とに付与する電荷量、及び、極性を調整する
請求項２に記載の燃料電池用触媒層製造方法。
【請求項４】
さらに、
前記第一原料と前記第二原料と前記第三原料とを気体流により搬送する搬送工程を含む
請求項１に記載の燃料電池用触媒層製造方法。
【請求項５】
プロトン伝導性高分子、または、導電体を含み、かつ、揮発性を有する溶剤を含む第四原料に電荷を付与して前記第四原料を帯電させる第四帯電工程と、
前記第四原料を空間中に流出させる第四流出工程と、
前記第四原料が静電爆発することによりプロトン伝導性高分子、または、導電体からなる繊維を堆積させて被堆積部材を製造する被堆積部材製造工程と
を含む請求項１に記載の燃料電池用触媒層製造方法。
【請求項６】
プロトン伝導性高分子と揮発性を有する溶剤とを含む第一原料に電荷を付与して前記第一原料を帯電させる第一帯電工程と、
前記第一原料を空間中に流出させる第一流出工程と、
前記第一原料が静電爆発することによりプロトン伝導性高分子からなる繊維が製造される繊維製造工程と、
導電体と触媒とが接合された担持体を含む第五原料に電荷を付与して前記第五原料を帯電させる第五帯電工程と、
前記第五原料を空間中に流出させる第五流出工程と、
前記繊維と前記第五原料とを空間中で混合する混合工程と、
前記繊維と前記担持体とを被堆積部材上に堆積させる堆積工程と
を含む燃料電池用触媒層製造方法。
【請求項７】
プロトン伝導性高分子と揮発性を有する溶剤とを含む第一原料に電荷を付与して前記第一原料を帯電させる第一原料帯電手段と、
前記第一原料を空間中に流出させる第一原料流出手段と、
導電体を含む第二原料に電荷を付与して前記第二原料を帯電させる第二原料帯電手段と、
前記第二原料を空間中に流出させる第二原料流出手段と、
触媒を含む第三原料に電荷を付与して前記第三原料を帯電させる第三原料帯電手段と、
前記第一原料と前記第二原料と前記第三原料とを搬送する気体流を発生させる気体流発生手段と、
前記プロトン伝導性高分子と前記導電体と前記触媒とを混合させる混合手段と
を備える燃料電池用触媒層製造装置。
【請求項８】
前記請求項１もしくは請求項６に記載の燃料電池用触媒層製造方法により製造される触媒層を燃料極と酸素極との少なくともいずれか一方として備える固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、固体高分子型燃料電池の燃料極や酸素極として用いられる触媒層を製造する燃料電池用触媒層製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今燃料電池が注目されている。その理由は次の通りである。すなわち、燃料電池は、その名に反し、乾電池などの一次電池や鉛蓄電池などの二次電池のような蓄えた電力を放出する電池とは異なり、水素などの燃料と酸素などの酸化剤とを供給し続けることで継続的に電力を取り出すことができる発電装置に近いものである。燃料電池は、熱機関を用いる従来の発電装置とは異なり、運動エネルギーを介することなく化学エネルギーから直接電気エネルギーを取得することができるため、発電効率が高く騒音や振動も少ない。従って、携帯用の機器の電力源や、家庭用の電力源から、自動車、鉄道等の動力源として期待されている。
【０００３】
燃料電池の発電方法は、次のようにして行われる。すなわち、燃料極の触媒層において、水素は、触媒を用いて電子とプロトン（水素イオン）とに分けられる。分けられた電子は、導電体を通って燃料電池外に供給される。プロトンは、燃料電池内にあるプロトン伝導性高分子を通って酸素極に移動する。プロトン伝導性高分子を通ってきたプロトンは、酸素極の触媒層において酸素と反応して水になるが、このとき電子が必要となるので、燃料電池外に運ばれた電子が回収され、前記反応に供される。
【０００４】
従って、電子が過剰となる燃料極と電子を欲する酸素極との間に電位差が生まれ、発電することができる。
【０００５】
以上のように、燃料極の触媒層において水素が電子とプロトンとに分かれ、また、酸素極の触媒層においてプロトンと酸素と電子とが反応して水になる為には、水素と触媒とが接触する必要があり、プロトンと酸素と電子とが接触する必要がある。また、電子を移動させる為には前記触媒の近傍には導電体が存在する必要があり、プロトンを移動させるためにはプロトン伝導性高分子が触媒の近傍に存在する必要がある。
【０００６】
さらに、燃料電池の発電効率を向上させるためには、触媒と導電体とプロトン伝導性高分子とが共に存在する箇所であって、燃料極の触媒層においては、水素と接触する確率の高い箇所が多く存在する必要があり、酸素極の触媒層においては酸素と接触する確率の高い箇所が多く存在する必要がある。
【０００７】
従来、上記のような触媒層を形成するために次のような方法が提案されている（特許文献１参照）。すなわち、触媒が担持されたカーボンとプロトン伝導性高分子とを溶媒に入れて液状とする。当該液体を高電圧が印加された一方の電極から他方の電極に噴射する。以上により、静電爆発が生じて触媒とカーボンとが担持されたプロトン伝導性高分子の繊維が製造される。当該繊維を堆積することで多孔質の触媒層が形成される。
【特許文献１】特開２００７−２１４００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、前記方法では、プロトン伝導性高分子が繊維化する過程で触媒がプロトン伝導性高分子に内蔵されてしまい、水素や酸素と接触することなく発電に必要な反応に供されない触媒が多数存在することとなる。このような触媒層を備えた燃料電池は、投入した触媒の量に比較し、発電効率はよいとは言えないものである。
【０００９】
本願発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、露出状態の触媒を効率よく担持させると共に、触媒の近傍に導電体を配置したプロトン伝導性高分子からなる触媒層を製造することのできる燃料電池用触媒層製造方法、燃料電池用触媒層製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本願発明にかかる燃料電池用触媒層製造方法は、プロトン伝導性高分子と揮発性を有する溶剤とを含む第一原料に電荷を付与して前記第一原料を帯電させる第一帯電工程と、前記第一原料を空間中に流出させる第一流出工程と、前記第一原料が静電爆発することによりプロトン伝導性高分子からなる繊維が製造される繊維製造工程と、導電体を含む第二原料に電荷を付与して前記第二原料を帯電させる第二帯電工程と、前記第二原料を空間中に流出させる第二流出工程と、触媒を含む第三原料に電荷を付与して前記第三原料を帯電させる第三帯電工程と、前記第三原料を空間中に流出させる第三流出工程と、前記第一原料と前記第二原料と前記第三原料とを空間中で混合する混合工程と、前記繊維と前記導電体と前記触媒とを被堆積部材上に堆積させる堆積工程とを含むことを特徴とする。
【００１１】
これにより、プロトン伝導性高分子からなる繊維の表面に触媒や導電体が付着し接合するため、プロトン伝導性高分子に内蔵される触媒の量を可及的に少なくすることができる。また、空間中で繊維と触媒と導電体とが接合するため、三次元的な構造が得られやすく、プロトン伝導性高分子からなる繊維の表面に露出する触媒の面積を向上させることができる。
【００１２】
さらに、導電体が触媒と同様に繊維の表面に接合するため、プロトン伝導性高分子と触媒と導電体とが相互に近傍に存在する部分を多量に形成することができる。しかもエレクトロスピニング法によりプロトン伝導性高分子からなる繊維が製造されるため、ナノオーダの径からなる繊維が製造される。そして、触媒層は当該繊維が堆積されて形成されるため、触媒層は、水素や酸素などが多量かつ容易に通過可能な多孔質となる。
【００１３】
従って、当該触媒層を備える燃料電池は、触媒の投入量に比し、高い発電効率を得ることが可能となる。
【００１４】
さらに、前記第二帯電工程と第三帯電工程とにおいて、触媒の帯電極性と導電体の帯電極性とが異なる極性となるように付与する電荷の極性を調整し、前記混合工程においては、前記第二原料と第三原料とを混合することにより導電体と触媒とが接合した担持体を形成し、第一原料を混合して前記繊維と前記担持体とを接合させることが好ましい。
【００１５】
これにより、プロトン伝導性高分子の量に比較して少ない触媒と導電体とを確実に接合させて担持体を形成し、当該担持体とプロトン伝導性高分子とを接合するため、プロトン伝導性高分子と触媒と導電体とが相互に近傍に存在する部分を触媒層内にさらに多量に配置することが可能となる。
【００１６】
前記混合工程において、形成された担持体の帯電極性が前記繊維の帯電極性と逆の極性で帯電するように、前記第一帯電工程と前記第二帯電工程と前記第三帯電工程とにおいて、前記第一原料と前記第二原料と前記第三原料とに付与する電荷量及び極性を調整することが好ましい。
【００１７】
これにより、プロトン伝導性高分子と担持体とを高確率で接合することが可能となり性能の高い触媒層を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本願発明によれば、水素や酸素が容易に通過できる連続気泡の多孔質の触媒層であって、高効率で水素を分解し、また、高効率でプロトンと酸素とを反応させることのできる触媒層を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本願発明にかかる燃料電池用触媒層製造方法の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本願発明の実施の形態である燃料電池用触媒層製造装置を模式的に示す断面図である。
【００２１】
同図に示すように、燃料電池用触媒層製造装置１００は、第一原料放出手段２１０から放出された繊維３０１と、第二原料放出手段２２０から放出された導電体３０２と、第三原料放出手段２３０から放出された触媒３０３とを空間中で混合し、繊維３０１の表面に導電体３０２と触媒３０３とを担持させる装置であり、当該繊維を堆積させ触媒層を製造する装置である。燃料電池用触媒層製造装置１００は、第一原料放出手段２１０と、第二原料放出手段２２０と、第三原料放出手段２３０と、混合手段１３０と、収集手段１１０と、誘引手段１２０とを備えている。
【００２２】
図２は、第一原料放出手段を示す断面図である。
【００２３】
図３は、第一原料放出手段の外観を示す斜視図である。
【００２４】
なお、第二原料放出手段２２０と、第三原料放出手段２３０とは、第一原料放出手段２１０と構造が同じであるため、説明を省略する。なお、第二原料放出手段については、下記記載の「第一原料３００」を「第二原料３０４」と、「繊維３０１」を「導電体３０２」と読み替え、第三原料放出手段２３０については、「第一原料３００」を「第三原料３０５」と、「繊維３０１」を「触媒３０３」と読み替えればよい。
【００２５】
これらの図に示すように、第一原料放出手段２１０は、帯電した第一原料３００や当該第一原料３００が飛行中に静電爆発により製造される繊維３０１を気体流に乗せて放出することができるユニットであり、流出手段２０１と、帯電手段２０２と、風洞体２０６と、気体流発生手段２０３とを備えている。
【００２６】
ここで、繊維を製造するための第一原料については第一原料３００と記し、製造された繊維については繊維３０１と記すが、製造に際しては第一原料３００が静電爆発しながら繊維３０１に変化していくため、第一原料３００と繊維３０１との境界は曖昧であり、明確に区別できるものではない。
【００２７】
流出手段２０１は、第一原料３００を空間中に流出させる装置であり、本実施の形態では、第一原料３００を遠心力により放射状に流出させる装置である。流出手段２０１は、容器２１１と、回転軸体２１２と、モータ２１３とを備えている。
【００２８】
容器２１１は、第一原料３００が内方に注入されながら自身の回転による遠心力により空間中に第一原料３００を流出させることのできる容器であり、一端が閉塞された円筒形状となされ、周壁には流出孔２１６を多数備えている。容器２１１は、貯留する第一原料３００に電荷を付与するため、導電体で形成されている。容器２１１は、支持体（図示せず）に設けられるベアリング（図示せず）により回転可能に支持されている。
【００２９】
具体的には、容器２１１の直径は、１０ｍｍ以上、３００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると後述の気体流により第一原料３００や繊維３０１を集中させることが困難になるからであり、また、容器２１１の回転軸が偏心するなど、重量バランスが少しでも偏ると大きな振動が発生してしまい、当該振動を抑制するために容器２１１を強固に支持する構造が必要となるからである。一方、小さすぎると遠心力により第一原料３００を流出させるための回転を高めなければならず、駆動源の負荷や振動など問題が発生するためである。さらに容器２１１の直径は、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲から採用することが好ましい。
【００３０】
また、流出孔２１６の形状は円形が好ましく、その直径は、容器２１１の肉厚にもよるが、おおよそ０．０１ｍｍ以上、３ｍｍ以下の範囲から採用することが好適である。これは、流出孔２１６があまりに小さすぎると第一原料３００を容器２１１の外方に流出させることが困難となるからであり、あまりに大きすぎると一つの流出孔２１６から流出する第一原料３００の単位時間当たりの量が多くなりすぎ（つまり、流出する第一原料３００が形成する線の太さが太くなりすぎ）て所望の径の繊維３０１を製造することが困難となるからである。
【００３１】
なお、容器２１１は、自身の回転による遠心力により第一原料３００を空間中に流出させる部材ばかりでなく、自身は静止しており、圧力がかけられた第一原料３００が流出孔２１６から流出する部材でもかまわない。また、遠心力により第一原料３００を流出させる容器２１１の形状は、円筒形状に限定されるものではなく、断面が多角形状の多角筒形状のようなものや円錐形状のようなものでもよい。流出孔２１６が回転することにより、流出孔２１６から第一原料３００が遠心力で流出可能な形状であればよい。また、流出孔２１６の形状は、円形に限定することなく、多角形状や星形形状などであってもよい。
【００３２】
回転軸体２１２は、容器２１１を回転させ遠心力により第一原料３００を流出させるための駆動力を伝達するための軸体であり、容器２１１の他端から容器２１１の内部に挿通され、容器２１１の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端はモータ２１３の回転軸と接合されている。
【００３３】
モータ２１３は、遠心力により第一原料３００を流出孔２１６から流出させるために、回転軸体２１２を介して容器２１１に回転駆動力を付与する装置である。なお、容器２１１の回転数は、流出孔２１６の口径や使用する第一原料３００の粘度や原料内の高分子物質の種類などとの関係により、数ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のようにモータ２１３と容器２１１とが直動の時はモータ２１３の回転数は、容器２１１の回転数と一致する。
【００３４】
帯電手段２０２は、第一原料３００に電荷を付与して帯電させる装置である。本実施の形態の場合、帯電手段２０２は、帯電電極２２１と、帯電電源２２２と、接地手段２２３とを備えている。また、容器２１１も帯電手段２０２の一部として機能している。
【００３５】
帯電電極２２１は、自身がアースに対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、近傍に配置され接地されている容器２１１に電荷を誘導するための部材であり、容器２１１の先端部分を取り囲むように配置される円環状の部材である。帯電電極２２１に正の電圧が印加されると容器２１１には、負の電荷が誘導され、帯電電極２２１に負の電圧が印加されると容器２１１には、正の電荷が誘導される。また、帯電電極２２１は、気体流発生手段２０３からの気体流を混合手段１３０に案内する風洞体２０６としても機能している。
【００３６】
帯電電極２２１の大きさは、容器２１１の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、２００ｍｍ以上、８００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。なお、帯電電極２２１の形状は、円環状に限ったものではなく、多角形状を有する多角形環状の部材であってもよい。
【００３７】
帯電電源２２２は、帯電電極２２１に高電圧を印加することのできる電源である。帯電電源２２２は、直流電源が好ましい。また、帯電電源２２２が直流電源である場合、帯電電源２２２が帯電電極２２１に印加する電圧は、１０ＫＶ以上、２００ＫＶ以下の範囲の値から設定されるのが好適である。帯電電源２２２に負の電圧が印加される場合には、前記の印加する電圧の極性は、負になる。特に、容器２１１と帯電電極との間の電界強度が重要であり、１ＫＶ／ｃｍ以上の電界強度になるように印加電圧や帯電電極２２１の配置を行うことが好ましい。
【００３８】
接地手段２２３は、容器２１１と電気的に接続され、容器２１１を接地電位に維持することができる部材である。接地手段２２３の一端は、容器２１１が回転状態であっても電気的な接続状態を維持することができるようにブラシとして機能するものであり、他端は大地と接続されている。
【００３９】
本実施の形態のように帯電手段２０２に誘導方式を採用すれば、容器２１１を接地電位に維持したまま第一原料３００に電荷を付与することができる。容器２１１が接地電位の状態であれば、容器２１１に接続される回転軸体２１２やモータ２１３などの部材を容器２１１から電気的に絶縁する必要が無くなり、流出手段２０１として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。
【００４０】
なお、帯電手段２０２として、容器２１１に電源を接続し、容器２１１を高電圧に維持し、帯電電極２２１を接地することで第一原料３００に電荷を付与してもよい。また、容器２１１を絶縁体で形成すると共に、容器２１１に貯留される第一原料３００に直接接触する電極を容器２１１内部に配置し、当該電極を用いて第一原料３００に電荷を付与するものでもよい。
【００４１】
気体流発生手段２０３は、容器２１１から流出される第一原料３００の飛行方向を混合手段１３０の方向に変更するための気体流を発生させる装置である。気体流発生手段２０３は、モータ２１３の背部に備えられ、モータ２１３から容器２１１の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生手段２０３は、容器２１１から径方向に流出される第一原料３００が帯電電極２２１に到達するまでに前記第一原料３００を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図２において、気体流は矢印で示している。本実施の形態の場合、気体流発生手段２０３として、放出手段２００の周囲にある雰囲気を強制的に送風する軸流ファンを備える送風機が採用されている。
【００４２】
なお、気体流発生手段２０３は、シロッコファンなど他の送風機により構成してもかまわない。また、高圧ガスを導入することにより流出された第一原料３００の方向を変更するものでもかまわない。また、吸引手段１０２などにより混合手段１３０内方に気体流を発生させるものでもかまわない。この場合、気体流発生手段２０３は積極的に気体流を発生させる装置を有しないこととなるが、本願発明の場合、混合手段１３０の内方に気体流が発生していることをもって気体流発生手段２０３が存在しているものとする。また、気体流発生手段２０３を有しない状態で、吸引手段１０２により吸引することで、風洞体２０６や混合手段１３０の内方に気体流を発生させるようにすることも気体流発生手段が存在しているものとする。また、気体流発生手段２０３を有しない状態で、吸引手段１０２により吸引することで、風洞体２０６や混合手段１３０の内方に気体流が発生する場合、吸引手段１０２が気体流発生手段として機能しているとみなす。
【００４３】
風洞体２０６は、気体流発生手段２０３で発生した気体流を容器２１１の近傍に案内する導管である。風洞体２０６により案内された気体流が容器２１１から流出された第一原料３００と交差し、第一原料３００の飛行方向を変更する。
【００４４】
さらにまた、放出手段２００は、気体流制御手段２０４と、加熱手段２０５とを備えている。
【００４５】
気体流制御手段２０４は、気体流発生手段２０３により発生する気体流が流出孔２１６に当たらないよう気体流を制御する機能を有するものであり、本実施の形態の場合、気体流制御手段２０４として、気体流を所定の領域に流れるように案内する風路体が採用されている。気体流制御手段２０４により、気体流が直接流出孔２１６に当たらないため、流出孔２１６から流出される第一原料３００が早期に蒸発して流出孔２１６を塞ぐことを可及的に防止し、第一原料３００を安定させて流出させ続けることが可能となる。なお、気体流制御手段２０４は、流出孔２１６の風上に配置され気体流が流出孔２１６近傍に到達するのを防止する壁状の防風壁でもかまわない。
【００４６】
加熱手段２０５は、気体流発生手段２０３が発生させる気体流を構成する気体を加熱する加熱源である。本実施の形態の場合、加熱手段２０５は、混合手段１３０の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱手段２０５を通過する気体を加熱することができるものとなっている。加熱手段２０５により気体流を加熱することにより、空間中に流出される第一原料３００は、蒸発が促進され効率よくナノファイバを製造することが可能となる。
【００４７】
図１の参照に戻る。
【００４８】
混合手段１３０は、第一原料放出手段２１０から放出される繊維３０１（第一原料３００）と第二原料放出手段２２０から放出される導電体３０２（第二原料３０４）と第三原料放出手段２３０から放出される触媒３０３（第三原料３０５）とを気体流と共に混合させる部材である。本実施の形態の場合、混合手段１３０は、異なる場所で発生する導電体３０２と触媒３０３とが合流するように案内し、合流した導電体３０２と触媒３０３とを混合できるようにＹ字状に接続される管状の部材であり、さらに、混合された導電体３０２と触媒３０３と繊維３０１とを混合できるように枝分かれした部分を備える部材である。
【００４９】
収集手段１１０は、混合手段１３０から放出される繊維３０１と導電体３０２と触媒３０３とを収集するための装置であり、被堆積部材１０１と、移送手段１０４と、供給手段１１１とを備えている。
【００５０】
被堆積部材１０１は、静電爆発により製造され飛来する繊維３０１と導電体３０２と触媒３０３とが堆積される対象となる部材である。本実施の形態の場合、被堆積部材１０１は、薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材の上に層状に配置されるカーボンからなる多孔質のシートである。このようにすることで、比較的脆弱なカーボンシートを容易に供給し、また、カーボンシートを巻き取りながら回収することが可能となる。当該カーボンシートは、燃料電池に組み込まれた場合、ガス拡散層として機能する。
【００５１】
なお、被堆積部材１０１は、プロトン伝導性高分子からなるシートでもかまわない。
【００５２】
移送手段１０４は、被堆積部材１０１を移送することができる装置である。本実施の形態の場合、長尺の被堆積部材１０１を巻き取りながら供給手段１１１から引き出し、不織布状に堆積する繊維３０１や導電体３０２や触媒３０３と共に被堆積部材１０１を搬送するものとなっている。移送手段１０４は、不織布状に堆積している繊維３０１などを被堆積部材１０１とともに巻き取ることができるものとなっている。
【００５３】
誘引手段１２０は、空間中を飛行して表面に導電体３０２や触媒が接合した繊維３０１を所定の場所に誘引するための装置である。繊維３０１などを誘引する方法としては、気体流を吸引することで繊維３０１などを誘引する方法と、帯電している繊維３０１などを電界（電場）により誘引する方法とを例示することができる。本実施の形態の場合、誘引手段は気体流を吸引する方式と電界で誘引する方式とを選択的に、また、同時に実施することができる装置が採用されており、吸引手段１０２と、誘引電極１２１と誘引電源１２２とを備えている。
【００５４】
吸引手段１０２は、被堆積部材１０１を通過する気体流を強制的に吸引する装置である。本実施の形態では、吸引手段１０２は、漏斗状のフード１０３と送風機１０５とを備えている。送風機１０５は、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機であって、被堆積部材１０１から送風機１０５に向かう気体流を発生させることができる装置である。
【００５５】
また、吸引手段１０２は、第一原料３００や第二原料３０４、第三原料３０５から蒸発した溶媒が混ざったほとんどの気体流を吸引し、吸引手段１０２に接続される溶剤回収装置１０６まで前記気体流を搬送することができるものとなっている。
【００５６】
誘引電極１２１は、繊維３０１などを誘引するための電界を発生させるための電極である。本実施の形態の場合、気体流を通過させることのできる金属製の網が採用されている。
【００５７】
誘引電源１２２は、誘引電極１２１を所定の電圧及び極性に維持することができる直流電源である。本実施の形態の場合、誘引電源１２２は、０Ｖ（設置状態）から２００ＫＶ以下の範囲で自由に電圧と極性を変更することができる直流電源である。
【００５８】
次に、上記構成の燃料電池用触媒層製造装置１００を用いた燃料電池用触媒層製造方法を説明する。
【００５９】
まず、第一原料放出手段２１０と、第二原料放出手段２２０と、第三原料放出手段２３０とのそれぞれに備えられる気体流発生手段２０３を稼動させる。これにより、風洞体２０６の内方や混合手段１３０の内方に気体流が発生する。一方、吸引手段１０２により、被堆積部材１０１の後方から前記気体流を吸引する。
【００６０】
また、誘引電源１２２により誘引電極１２１に電圧を印加し、繊維３０１等を誘引するための電界を発生させておく。
【００６１】
次に、第一原料放出手段２１０と、第二原料放出手段２２０と、第三原料放出手段２３０とがそれぞれ備える流出手段２０１の容器２１１に第一原料３００、第二原料３０４、第三原料３０５を供給する。第一原料３００、第二原料３０４、第三原料３０５は、別途異なるタンク（図示せず）にそれぞれ蓄えられており、供給路２１７（図２参照）を通過して容器２１１の他端部から容器２１１内部に供給される。
【００６２】
同時に、帯電手段２０２により容器２１１に貯留される第一原料３００、第二原料３０４、第三原料３０５に電荷を供給する（第一帯電工程、第二帯電工程、第三帯電工程）。
【００６３】
ここで、第一原料３００に供給される電荷の極性と、第二原料に供給される電荷の極性は相互に逆極性となっている。また、第一原料３００に供給される電荷量（絶対値）は、第二原料３０４に供給される電荷量（絶対値）よりも多い。一方、第二原料３０４に供給される電荷の極性と、第三原料３０５に供給される電荷の極性は相互に逆極性となっている。また、第二原料３０４に供給される電荷量（絶対値）は、第三原料３０５に供給される電荷量（絶対値）よりも多い。以上により、相互に逆極性の導電体３０２と触媒３０３とが接合しても、導電体３０２の帯電極性を維持した担持体が形成され、繊維３０１と担持体との帯電極性は相互に逆極性となる。
【００６４】
なお、第一原料３００、第二原料３０４、第三原料３０５に付与する電荷の量、及び、極性は、帯電電極２２１に印加する電圧、及び、極性で調整することが可能である。
【００６５】
また同時に、容器２１１をモータ２１３により回転させて、遠心力により流出孔２１６から帯電した第一原料３００、第二原料３０４、第三原料３０５をそれぞれ流出させる（第一流出工程、第二流出工程、第三流出工程）。
【００６６】
第二原料３０４と第三原料３０５とは、容器２１１の径方向放射状に噴射され、気体流により飛行方向が変更される。第二原料３０４と第三原料３０５とは、静電爆発により微小な液滴に分断されつつ第二原料放出手段２２０、第三原料放出手段２３０からそれぞれ放出される。また、前記気体流は、加熱手段２０５により加熱されており、第二原料３０４と第三原料３０５との飛行をそれぞれ案内しつつ、第二原料３０４と第三原料３０５とに熱を与えて溶媒の蒸発を促進している。
【００６７】
以上により、導電体３０２と触媒３０３とが混合手段１３０の内方で混合されることとなる（混合工程）。ここで、導電体３０２と触媒３０３とは逆極性に帯電しているため、引力が発生し、相互に接合されて担持体が形成される。当該担持体は気体流により搬送される。
【００６８】
一方、容器２１１の径方向放射状に噴射された第一原料３００は、気体流により飛行方向が変更され、気体流に乗り風洞体２０６により案内されて混合手段１３０に向かって搬送される（搬送工程）。第一原料３００は静電爆発により繊維３０１を製造しつつ（繊維製造工程）第一原料放出手段２１０から放出される。また、前記気体流は、加熱手段２０５により加熱されており、第一原料３００の飛行を案内しつつ、第一原料３００に熱を与えて溶媒の蒸発を促進している。
【００６９】
次に、第一原料放出手段２１０から放出され静電爆発により製造された繊維３０１と、前記担持体とは、混合手段１３０により気体流と共に合流して混合状態となる（混合工程）。ここで、繊維３０１と担持体とは相互に逆極性に帯電しているため、引力が発生し、繊維３０１の表面に担持体が付着しながら混合手段１３０の内方を気体流に乗って搬送される（搬送工程）。この段階で、繊維３０１は、導電体３０２と触媒３０３とを担持することとなる。
【００７０】
なお、担持体とならずに残存する導電体３０２や触媒３０３も存在する可能性はあるが、これらも混合手段１３０の内方で繊維３０１と混合され、繊維３０１の表面に接合される。
【００７１】
最後に、導電体３０２と触媒３０３とを担持した繊維３０１は、誘引手段１２０により被堆積部材１０１上に誘引され、被堆積部材１０１の上に堆積する（堆積工程）。また、空間中において繊維３０１と接合されなかった導電体３０２や触媒３０３も誘引手段１２０によって誘引されるため、先に堆積している繊維３０１の表面に接合する場合もある。
【００７２】
ここで、第一原料３００と第二原料３０４と第三原料３０５とについて説明する。
【００７３】
第一原料３００は、プロトン伝導性高分子を溶媒中に溶解、または、分散させた液体である。溶媒とプロトン伝導性高分子との混合比率は、溶媒とプロトン伝導性高分子の種類により異なるが、溶媒量は、約６０％から９８％の間が望ましい。
【００７４】
繊維３０１を構成するプロトン伝導性高分子としては、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が代表的なものとして例示できる。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は化学的・熱的安定性に優れている点から好ましい。当該樹脂としては、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭化成株式会社のAciplex（登録商標）、旭硝子株式会社のFlemion（登録商標）等が挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルケトン樹脂、スルホン化ポリエーテルサルホン樹脂、スルホン化ポリフェニレンサルファイド樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、スルホン化ポリアミド樹脂、スルホン化エポキシ樹脂、スルホン化ポリオレフィン樹脂等を挙示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。
【００７５】
第一原料３００に使用される溶媒としては、揮発性を備えていればよく、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、クロロホルム、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記種類の溶媒に限定されるものではない。
【００７６】
第二原料３０４は、導電体３０２を溶媒中に溶解、または、分散させた液体である。また、導電体３０２と溶媒との間を架橋する分子を用いエマルジョン化した液体でもかまわない。
【００７７】
導電体３０２は、触媒層において電子を移動させるための部材であり、電子導電性を備えておればよい。具体的には金属、導電性のポリマーやカーボンブラックやアセチレンブラック等の炭素質粒子、また、導電性ポリマーの中に、カーボンナノファイバー等のカーボンが内蔵されたものを例示できる。
【００７８】
第二原料３０４に使用される溶媒としては、揮発性を備えていればよく、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、クロロホルム、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記種類の溶媒に限定されるものではない。
【００７９】
第三原料３０５は、触媒３０３の粒子を溶媒中に溶解、または、分散させた液体である。また、触媒３０３と溶媒との間を架橋する分子を用いエマルジョン化した液体でもかまわない。
【００８０】
触媒３０３としては、当該技術分野において従来用いられてきたものと同様のものを特に制限無く用いることができる。例えば白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウムの白金族元素の他、金、銀、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、鉛、銅、コバルト、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が例示できる。特に、触媒３０３として白金が多くの場合用いられる。触媒３０３の粒径は、通常は１〜３０ｎｍである。触媒３０３の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると安定性が低下するため、０．５〜２０ｎｍが好ましい。更に好ましくは１〜５ｎｍが良い。
【００８１】
第三原料３０５に使用される溶媒としては、揮発性を備えていればよく、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、クロロホルム、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記種類の溶媒に限定されるものではない。
【００８２】
上記装置構成、及び、方法により、表面にのみ導電体３０２と触媒３０３とが担持された繊維３０１からなる触媒層を製造することが可能となる。従って、導電体３０２や触媒３０３の繊維３０１内部への混入によって機能を果たすことのできない触媒３０３の発生を抑制し、触媒層としての性能を向上させることが可能となる。しかも、多孔質のカーボンシートの上に前記繊維３０１を堆積しているため、ガス拡散層に接続される触媒層を製造することが可能となる。また、静電爆発で製造される繊維３０１に対し、静電爆発で導電体３０２や触媒３０３が分散状態で混合されるため、空間中でクラスターを作ることなく繊維３０１と均等に混ざり合い、全体的に性能の安定した触媒層を製造することが可能となる。
【００８３】
なお、本実施形態においては、導電体３０２と触媒３０３とが混合手段１３０の内方で混合されているが、帯電量が減少している場合には、帯電した繊維３０１と混合手段１３０で混合する前に、前記混合した導電体３０２と触媒３０３を前記繊維３０１の帯電極性とは逆極性に再帯電するように、イオナイザ等の帯電手段を設けて、繊維３０１の帯電極性とは逆極性に帯電させた後、混合手段１３０の中で、混合させて、繊維３０１と混合させてもよい。
【００８４】
次に、本願発明にかかる固体高分子型燃料電池の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００８５】
図４は、固体高分子型燃料電池の一単位であるセルの一部を模式的に示す斜視図である。
【００８６】
同図に示すように、セル４００は、燃料極側セパレータ４１０と、酸素極側セパレータ４２０と、ガス拡散層４０１と、触媒層４０２と、プロトン伝導性高分子膜４０３とを備えている。
【００８７】
燃料極側セパレータ４１０と、酸素極側セパレータ４２０とは、隣接するセルと電気的に接続する板状体であって、燃料ガスや酸化剤ガスが流通する流体流路４１３、４２３が多数本平行に板状体全体に渡って並設されている。また、流体流路４１３、４２３が設けられている面と反対の面には、冷却用の流体を流通させるための流路が設けられている。
【００８８】
ガス拡散層４０１と触媒層４０２は、上記実施の形態で作成されたものである。ガス拡散層４０１は、上記実施の形態における被堆積部材１０１であり、触媒層４０２は、導電体３０２と触媒３０３とを表面に担持したプロトン伝導性高分子からなる繊維３０１が不織布状に堆積されたものである。
【００８９】
プロトン伝導性高分子膜４０３は、プロトンを移動させることのできる高分子樹脂膜である。
【００９０】
固体高分子型燃料電池は、上記セルを複数個スタックして構成されるものである。
【００９１】
以上により、本願発明に係る触媒層を備える固体高分子型燃料電池は、供給される燃料（水素）と触媒とが接触する確率が高いため、非常に効率よく水素をプロトンと電子に分けることができる。また、同様に移動してきたプロトンと酸素と電子とが接触する確率が高いため、効率よく反応が発生し、水を製造することが可能となる。従って、本願発明に係る触媒層を備える固体高分子型燃料電池全体は、高い発電効率を実現することができる。さらに、使用される触媒の量を必要最小限に留めることができ、コストを低減することが可能となる。
【００９２】
（実施の形態２）
次に、本願発明にかかる他の実施の形態について説明する。
【００９３】
図５は、本願発明の他の実施の形態である燃料電池用触媒層製造装置を模式的に示す断面図である。なお、上記実施の形態１と同じ機能を有する部材、装置等には同じ符号を付し、説明を省略する場合がある。
【００９４】
同図に示すように、燃料電池用触媒層製造装置１００は、第一原料放出手段２１０と、第五原料放出手段２５０と、第四原料放出手段２４０と、混合手段１３０と、誘引手段１２０とを備えている。なお、第一原料放出手段２１０と、第四原料放出手段２４０と、誘引手段１２０と、収集手段１１０とは上記実施の形態１と同じであるため、その説明を省略する。
【００９５】
第五原料放出手段２５０は、導電体３０２表面に触媒３０３が担持された担持体３０６を超音波や２流体ノズルを用いて噴霧し、噴霧された担持体３０６をイオナイザで帯電させる装置である。第五原料放出手段２５０は、混合手段１３０に臨んで取り付けられており、混合手段１３０内部に帯電した担持体３０６を乾燥状態で噴霧できるものとなっている。
【００９６】
イオナイザは、空間中に存在する微粒子を帯電させることができる装置であり、具体的には、コロナ放電方式や電圧印加方式、交流方式、定常直流方式、パルス直流方式、自己放電式、軟Ｘ線方式、紫外線式、放射線方式など任意の方式等を挙示することができる。
【００９７】
次に、上記構成の燃料電池用触媒層製造装置１００を用いた燃料電池用触媒層製造方法を説明する。
【００９８】
まず、第四原料放出手段２４０を用い、ガス拡散層を製造する。
【００９９】
第四原料３０７は、導電性高分子とカーボン粒子とを溶媒中に溶解、または、分散させた液体である。
【０１００】
そして、第四原料３０７を、上記実施の形態で説明した第一原料放出手段２１０と同様に、帯電手段２０２を用いて帯電させ、流出手段２０１を用いて空間中に流出させる。以上により、静電爆発によって導電性高分子とカーボン粒子とからなる導電性繊維３０８が製造される。そして、当該繊維を堆積させることで、多孔質の不織布状カーボンシートが製造される。
【０１０１】
そして、当該カーボンシートは、移送手段１０４によってゆっくり移送される。
【０１０２】
次に、第一原料放出手段２１０を用い、実施の形態１と同様の方法で、繊維３０１を製造する。
【０１０３】
同時に、第五原料放出手段２５０を用い、前記繊維３０１と逆の極性で帯電された担持体３０６を混合手段１３０に投入する。
【０１０４】
以上により、繊維３０１の表面に担持体３０６が接合される。
【０１０５】
最後に、先に製造されたカーボンシートの上に担持体３０６が担持された繊維３０１を誘引手段１２０で誘引し、堆積させる。
【０１０６】
上記装置構成、及び、方法によれば、ガス拡散層と触媒層とを一連の工程で製造することができ、生産効率を向上させることが可能である。
【０１０７】
なお、上記実施の形態では、担持体３０６を乾燥状態で噴霧したが、本願発明はこれに限定されるわけではない。例えば、導電体３０２と触媒３０３とを別々に乾燥状態で噴霧し、これらを逆極性に帯電させて、担持体３０６を製造したうえで、プロトン伝導性高分子からなる繊維３０１と混合してもかまわない。
【０１０８】
また、ガス拡散層と触媒層とを別々に製造し、これらを貼り合わせてもかまわない。
【０１０９】
また、第一原料放出手段２１０、第二原料放出手段２２０、第三原料放出手段２３０、第四原料放出手段２４０、第五原料放出手段２５０の位置や、組合せは、触媒層が適切に製造される限りにおいて自由に選択できるものである。
【０１１０】
なお、本願発明の実施の形態で述べた原料放出手段は、これに限定するものではなく、例えば、断面矩形の風洞体の一壁面を流出孔が多数設けられた流出体としてのノズルヘッドを配置し、風洞体の対向面に誘導電極を配置して前記流出孔と誘導電極間に電位差を持たせることで電界を発生させて前記原料液を帯電させることで、帯電手段とし、また、風洞体の開口端の一方には気体流発生手段を設けるような、原料放出手段としてもよい。また、一本のノズルの先から原料液を放出して電界をかけるような電界紡糸手段を用いて、原料放出手段を実施してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明は、燃料電池の製造に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本願発明の実施の形態である燃料電池用触媒層製造装置を模式的に示す断面図である。
【図２】第一原料放出手段を示す断面図である。
【図３】第一原料放出手段の外観を示す斜視図である。
【図４】固体高分子型燃料電池の一単位であるセルの一部を模式的に示す斜視図である。
【図５】本願発明の他の実施の形態である燃料電池用触媒層製造装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１００  燃料電池用触媒層製造装置
１０１  被堆積部材
１０２  吸引手段
１０３  フード
１０４  移送手段
１０５  送風機
１０６  溶剤回収装置
１１０  収集手段
１１１  供給手段
１２０  誘引手段
１２１  誘引電極
１２２  誘引電源
１３０  混合手段
２００  放出手段
２０１  流出手段
２０２  帯電手段
２０３  気体流発生手段
２０４  気体流制御手段
２０５  加熱手段
２０６  風洞体
２１０  第一原料放出手段
２１１  容器
２１２  回転軸体
２１３  モータ
２１６  流出孔
２１７  供給路
２２０  第二原料放出手段
２２１  帯電電極
２２２  帯電電源
２２３  接地手段
２３０  第三原料放出手段
２４０  第四原料放出手段
２５０  第五原料放出手段
３００  第一原料
３０１  繊維
３０２  導電体
３０３  触媒
３０４  第二原料
３０５  第三原料
３０６  担持体
３０７  第四原料
３０８  導電性繊維
４００  セル
４０１  ガス拡散層
４０２  触媒層
４０３  プロトン伝導性高分子膜
４１０  燃料極側セパレータ
４１３  流体流路
４２０  酸素極側セパレータ
【図１】
2010049845.tif 000003
【図２】
2010049845.tif 000004
【図３】
2010049845.tif 000005
【図４】
2010049845.tif 000006
【図５】
2010049845.tif 000007