(57)【要約】【課題】良好な導電性を得ることができ、かつ、厚みを薄くすることができるガス拡散部材、それを用いた電極および燃料電池を提供する。【解決手段】多孔性の基体１１に撥水剤１２Ａと導電剤１２Ｂとを含む撥水層１２が設けられている。導電剤１２Ｂとしては、フラーレンの製造過程においてフラーレンの抽出操作により生じた残渣物あるいはその誘導体を用いる。これらはカーボンブラックよりもタップ密度が大きいので、撥水剤１２Ａの量を少なくしても十分な撥水性を得ることができ、導電性を向上させることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層が形成されたガス拡散部材であって、
前記撥水層は、フラーレンの製造過程においてフラーレンの抽出操作により生じた残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含むことを特徴とするガス拡散部材。
【請求項２】
前記フラーレンの製造過程は、アーク放電法あるいは燃焼法によりフラーレンを含む合成物を生成し、この合成物よりフラーレンを抽出する過程を含んでいることを特徴とする請求項１記載のガス拡散部材。
【請求項３】
多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層が形成されたガス拡散部材であって、
前記撥水層は、炭素の五員環および六員環が三次元的に配列し、かつ閉じた空間を形成していない分子構造を有する炭素化合物を含むことを特徴とするガス拡散部材。
【請求項４】
前記炭素化合物は、酸素原子を有することを特徴とする請求項３記載のガス拡散部材。
【請求項５】
前記炭素化合物は、水素原子を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のガス拡散部材。
【請求項６】
多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層が形成されたガス拡散部材であって、
前記撥水層は、Ｘ線回折スペクトルにおける２θが３０°以下の領域において非晶質構造に由来する非ピーク状分布を有する炭素化合物を含むことを特徴とするガス拡散部材。
【請求項７】
多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成された電極であって、
前記撥水層は、フラーレンの製造過程においてフラーレンの抽出操作により生じた残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含むことを特徴とする電極。
【請求項８】
前記フラーレンの製造過程は、アーク放電法あるいは燃焼法によりフラーレンを含む合成物を生成し、この合成物よりフラーレンを抽出する過程を含んでいることを特徴とする請求項７記載の電極。
【請求項９】
多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成された電極であって、
前記撥水層は、炭素の五員環および六員環が三次元的に配列し、かつ閉じた空間を形成していない分子構造を有する炭素化合物を含むことを特徴とする電極。
【請求項１０】
前記炭素化合物は、酸素原子を有することを特徴とする請求項９記載の電極。
【請求項１１】
前記炭素化合物は、水素原子を有することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の電極。
【請求項１２】
多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成された電極であって、
前記撥水層は、Ｘ線回折スペクトルにおける２θが３０°以下の領域において非晶質構造に由来する非ピーク状分布を有する炭素化合物を含むことを特徴とする電極。
【請求項１３】
電解質を挟んで燃料極と酸化剤極とが設けられた燃料電池であって、
前記燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方は、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成された構造を有し、
前記撥水層は、フラーレンの製造過程においてフラーレンの抽出操作により生じた残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含む
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
前記フラーレンの製造過程は、アーク放電法あるいは燃焼法によりフラーレンを含む合成物を生成し、この合成物よりフラーレンを抽出する過程を含んでいることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池。
【請求項１５】
電解質を挟んで燃料極と酸化剤極とが設けられた燃料電池であって、
前記燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方は、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成された構造を有し、
前記撥水層は、炭素の五員環および六員環が三次元的に配列し、かつ閉じた空間を形成していない分子構造を有する炭素化合物を含む
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
前記炭素化合物は、酸素原子を有することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記炭素化合物は、水素原子を有することを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の燃料電池。
【請求項１８】
電解質を挟んで燃料極と酸化剤極とが設けられた燃料電池であって、
前記燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方は、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成された構造を有し、
前記撥水層は、Ｘ線回折スペクトルにおける２θが３０°以下の領域において非晶質構造に由来する非ピーク状分布を有する炭素化合物を含むことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスを拡散させることが可能なガス拡散部材、それを用いた電極および燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電効率が高く、反応生成物が原理的には水（Ｈ２Ｏ）のみであり、環境負荷の面においても優れているエネルギー供給源として、燃料電池が注目されている。このような燃料電池は用いられる電解質の種類により、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型等の低温動作燃料電池、溶融炭酸塩型の中温動作燃料電池、および固体酸化物型の高温動作燃料電池に大別される。なかでも、電解質に固体高分子を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ＦｕｅｌＣｅｌｌｓ）はコンパクトな構造で高密度・高出力が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく車両用等の移動電源としても広く研究され、実用化が大いに期待されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池では、一般に、パーフルオロスルホン酸系高分子化合物よりなる電解質を用いているが、このパーフルオロスルホン酸系高分子化合物は、水の存在下においてプロトン伝導性を示すという特徴を有している。よって、電極には、ガスを拡散させることができるガス拡散性および導電性と共に、水分管理性が求められる。水分管理性には撥水性と保水性という矛盾する特性があり、そのバランスが重要である。上述したように、固体高分子を用いた電解質では水分の存在下でなければ十分なプロトン伝導性を得ることができず、一方、過剰に水分が存在すると電極中のガスの移動経路が余分な水分によって塞がれてしまい、反応ガス、電解質、電極触媒からなる三相界面の形成が阻害されてしまうからである。
【０００４】
そこで、従来は、炭素材料をペーパー状またはフェルト状に加工した基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層を形成した電極が一般に用いられている。このように撥水層を設けているのは、基体を構成する炭素材料はガス拡散性および導電性に優れるが撥水性を有していないので、撥水処理が必要であること、また電極の接触面の平滑性を向上させ、特性の均一性を向上させるためである。なお、撥水剤として一般に用いられるポリテトラフルオロエチレンなどは、導電性を有していないので、カーボンブラックなどの導電剤と混合して用いられる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−１３３５６５号公報
【非特許文献１】
「ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）」，１９９０年，３４７号，ｐ．３５４
【非特許文献２】
「ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）」，１９９１年，３５２号，ｐ．１３９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、カーボンブラックなどは、タップ密度が大きいので、撥水層の厚みが厚くなってしまい、燃料電池の薄膜化および小型化が難しいという問題もあった。更に、カーボンブラックなどは、粒子の大きさが小さいので凝集しやすく、作業性のよい塗料を得ることが難しいという問題もあった。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、良好な導電性を得ることができ、かつ、厚みを薄くすることができるガス拡散部材、それを用いた電極および燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１のガス拡散部材は、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層が形成されたものであって、撥水層が、フラーレンの製造過程においてフラーレンの抽出操作により生じた残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含むようにしたものである。ここで、フラーレンの製造過程は、アーク放電法あるいは燃焼法によりフラーレンを含む合成物を生成し、この合成物よりフラーレンを抽出していれば、好適である。
【００１０】
なお、本発明における「アーク放電法」とは、不活性ガスが封入されかつ所定の圧力に保持されたチャンバ内において、所定の間隔で設置された一対の電極に電圧を印加してアーク放電を生じさせてフラーレンを含む合成物を合成する方法をいい、具体的には、例えば非特許文献１に記載の方法が挙げられる。また、本発明における「燃焼法」とは、分子中に炭素原子および水素原子を含む有機化合物を不完全燃焼させてフラーレンを含む合成物を合成する方法をいい、具体的には、例えば非特許文献２に記載の方法が挙げられる。
【００１１】
本発明による第２のガス拡散部材は、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層が形成されたものであって、撥水層が、炭素の五員環および六員環が三次元的に配列し、かつ閉じた空間を形成していない分子構造を有する炭素化合物を含むようにしたものである。さらに、炭素化合物は、酸素原子および水素原子のうちのすくなくともいずれか一方を有するようにしてもよい。
【００１２】
本発明による第３のガス拡散部材は、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層が形成されたものであって、撥水層が、Ｘ線回折スペクトルにおける２θが３０°以下の領域において非晶質構造に由来する非ピーク状分布を有する炭素化合物を含むようにしたものである。なお、「２θが３０°以下の領域において非晶質構造に由来する非ピーク状分布」とは、ピークと判定できない例えば２θの範囲が概ね５°以上の範囲にわたって存在するブロードな分布であり、２θが３０°を超える領域のバックグラウンドよりも有意に大きな計数又は計数率を示す分布であって、２θが３０°以下の領域にピークが存在していてもよく、この場合、Ｘ線回折スペクトルは、そのピークに非ピーク状分布が重畳した形状を示す。
【００１３】
本発明による第１の電極は、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成されたものであって、撥水層が、フラーレンの製造過程においてフラーレンの抽出操作により生じた残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含むようにしたものである。
【００１４】
本発明による第２の電極は、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成されたものであって、撥水層が、炭素の五員環および六員環が三次元的に配列し、かつ閉じた空間を形成していない分子構造を有する炭素化合物を含むようにしたものである。
【００１５】
本発明による第３の電極は、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成されたものであって、撥水層が、Ｘ線回折スペクトルにおける２θが３０°以下の領域において非晶質構造に由来する非ピーク状分布を有する炭素化合物を含むようにしたものである。
【００１６】
本発明による第１の燃料電池は、電解質を挟んで燃料極と酸化剤極とが設けられたものであって、燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方が、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成された構造を有し、撥水層が、フラーレンの製造過程においてフラーレンの抽出操作により生じた残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含むようにしたものである。
【００１７】
本発明による第２の燃料電池は、電解質を挟んで燃料極と酸化剤極とが設けられたものであって、燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方が、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成された構造を有し、撥水層が、炭素の五員環および六員環が三次元的に配列し、かつ閉じた空間を形成していない分子構造を有する炭素化合物を含むようにしたものである。
【００１８】
本発明による第３の燃料電池は、電解質を挟んで燃料極と酸化剤極とが設けられたものであって、燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方が、多孔性の基体に、撥水剤を含む撥水層を介して触媒を含む触媒層が形成された構造を有し、撥水層が、Ｘ線回折スペクトルにおける２θが３０°以下の領域において非晶質構造に由来する非ピーク状分布を有する炭素化合物を含むようにしたものである。
【００１９】
本発明によるガス拡散部材、電極および燃料電池では、撥水層にフラーレンの製造過程において生じた残渣物あるいはその誘導体、または炭素の五員環および六員環が三次元的に配列し、かつ閉じた空間を形成していない分子構造を有する炭素化合物、またはＸ線回折スペクトルにおける２θが３０°以下の領域において非晶質構造に由来する非ピーク状分布を有する炭素化合物を含んでいるので、撥水剤の量を少なくしても十分な撥水性が得られる。よって、導電性を向上させることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施の形態に係るガス拡散部材１０の構成を概念的に表すものである。ガス拡散部材１０は、対向する一対の面を有する基体１１と、基体１１に設けられた撥水層１２とを有している。なお、図１では基体１１の片面に撥水層１２を設けた場合を示しているが、両面に設けるようにしてもよい。
【００２２】
基体１１は、ガス拡散性と導電性とを有することが好ましく、例えば、ペーパー状あるいはフェルト状などに加工した多孔性の炭素材料により構成されることが好ましい。撥水層１２は、撥水性を調整すると共に、基体１１の表面の平滑性を向上させるためのものであり、撥水剤１２Ａと導電剤１２Ｂとを含んでいる。撥水剤１２Ａとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ；ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ  ）やテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂が挙げられる。導電剤１２Ｂは、撥水層１２の導電性を確保するためのものであり、フラーレンの製造過程においてフラーレンの抽出操作により生じた残渣物（以下、フラーレン残渣物という）およびその誘導体の少なくとも１種を含んでいる。
【００２３】
なお、フラーレンというのは、炭素原子のみからなり、炭素の五員環および六員環が３次元的に配列された多面体構造を有する物質の総称である。代表的なフラーレンとしては、Ｃ６０またはＣ７０などの化学式で表されるものが知られている。フラーレンは、例えば、アーク放電法あるいは燃焼法などにより合成されるが、その合成物（以下、フラーレンスートという）に含まれるフラーレンの量は極めて少ない。よって、フラーレンの製造過程においては、フラーレンを溶解可能なトルエンなどの溶媒にフラーレンスートを混合し、濾過することにより、フラーレンを抽出する操作が行われる。その際、溶媒に溶解せずに分離されたものがフラーレン残渣物である。この抽出操作によりフラーレンスートからは例えば７％程度のフラーレンが抽出されるが、１回の抽出操作で完全にフラーレンを抽出することは難しく、フラーレン残渣物にも例えば２００ｐｐｍ程度の微量のフラーレンが含まれている。
【００２４】
また、フラーレンは導電性を有していないが、フラーレン残渣物およびその誘導体はフラーレンと異なり導電性を有している。すなわち、フラーレン残渣物およびその誘導体は、導電剤１２Ｂとして十分に利用可能である。
【００２５】
このフラーレン残渣物は、フラーレンと同様に、炭素の五員環および六員環が三次元的に配列された分子構造を有している。但し、フラーレンとは異なり、閉じた空間を形成してはおらず、また、炭素原子のみではなく、酸素原子および水素原子を有する炭素化合物である。表１にフラーレン残渣物およびフラーレンスートの酸素含有量および水素含有量の測定結果を示す。測定したフラーレン残渣物およびフラーレンスートはアーク放電法により得られたものであり、表１に示した値は平均値である。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
なお、酸素含有量の測定には酸素・窒素分析装置（ＬＥＣＯ製ＴＣ６００）を用い、酸素標準試料として約０．８ｇの日本アナリスト製００１−１０６（酸素含有量；１０９０±２０ｐｐｍ）と約１ｇの日本アナリスト製００１−１０３（酸素含有量；１７２±６ｐｐｍ，窒素含有量；５８±２ｐｐｍ）とを用いて検量線を作製した。一方、水素含有量の測定には水素分析装置（堀場製ＥＭＧＡ６２１）を用い、水素標準試料としてアルファ（ＡＬＰＨＡ）製ＡＲ５５６（水素含有量；６．２４±０．６ｐｐｍ）を用いて検量線を作製した。また、測定は、予め測定試料を１３０℃で１時間以上に亘って熱処理したのちに行った。
【００２８】
表１に示したように、フラーレン残渣物の酸素含有量は平均で１０．７％、水素含有量は平均で０．４２８％であった。すなわち、フラーレン残渣物は酸素原子および水素原子を有する炭素化合物であることが分かる。また、フラーレンスートの酸素含有量および水素含有量は、炭素原子のみからなるフラーレンを含有している分、フラーレン残渣物よりも少なくなっているものと考えられる。
【００２９】
更に、フラーレン残渣物は非晶質構造を有している。図２にフラーレン残渣物のＸ線回折パターンを示すと共に、図３にフラーレン残渣物の透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）の写真を示す。いずれもアーク放電法により得られたフラーレン残渣物である。
【００３０】
図２において△印で示したピークは、測定の際にフラーレン残渣物に混ぜた内標準試料のケイ素（Ｓｉ）によるものであり、○印で示したピークは、アーク放電の際に黒鉛電極から剥離して混入された黒鉛によるものである。すなわち、図２にはフラーレン残渣物について特定の結晶構造を示すピークはみられず、ブラッグ角θが１５°以下の領域、すなわち２θが３０°以下の領域に、※印で示したように、非晶質であることを示すなだらかな回折パターンがみられた。また、図３に示したように、ＴＥＭによっても特定の結晶構造は観察できなかった。
【００３１】
更に、フラーレン残渣物は、カーボンブラックよりもタップ密度が大きいという特性を有している。表２にフラーレン残渣物、フラーレンスートおよびカーボンブラックのタップ密度の測定結果を示す。フラーレン残渣物およびフラーレンスートはアーク放電により得られたものであり、カーボンブラックはバルカンＸＣ−７２（商品名）である。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２に示したように、タップ密度は、カーボンブラックが０．０９×１０−６ｇ／ｍ３  であるのに対して、フラーレン残渣物は０．２５×１０−６ｇ／ｍ３と大きかった。すなわち、フラーレン残渣物は、カーボンブラックに比べて嵩が小さいので、凝集が起きにくく、均一に分散させることが容易である。
【００３４】
なお、導電剤１２Ｂには、フラーレン残渣物およびその誘導体の少なくとも１種のみを用いるようにしてもよいが、カーボンブラックなどの他の材料を混合して用いてもよい。
【００３５】
このフラーレン残渣物は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、例えば、ヘリウムガス（Ｈｅ）あるいはアルゴンガス（Ａｒ）などの不活性ガスの供給系と高真空ポンプとが接続された略球形のチャンバに、棒状の一対の電極を各一方端がチャンバ内部で対向するように設置し、チャンバを封止してからその内部を減圧する。一対の電極は高圧電源に接続されており、主として炭素よりなるもの、例えば黒鉛により構成することが好ましい。また、電極の対向する一方端の間隔は５ｍｍ〜５０ｍｍとすることが好ましく、１０ｍｍ〜３０ｍｍとすればより好ましい。
【００３６】
次いで、一対の電極を予備加熱した後、チャンバ内に不活性ガスを充填する。その際、チャンバ内の圧力は０．０１ｋＰａ〜１００ｋＰａとすることが好ましく、１ｋＰａ〜４０ｋＰａとすればより好ましい。続いて、一対の電極を軸回りに回動させながら高圧を印加し、電極間にアーク放電を起こさせる。印加する電圧は直流でも交流でもよく、大きさは１０Ｖ〜２００Ｖが好ましく、２０Ｖ〜１００Ｖとすればより好ましい。
【００３７】
所定時間アーク放電を行った後、チャンバの内壁に付着した‘すす’、すなわちフラーレンスートを回収する。こうして得られるフラーレンスートをトルエンなどの溶媒に混合し、例えばソックスレー抽出法によりフラーレンを抽出する。そののち、溶媒に溶解せずに残ったフラーレン残渣物を回収し、例えば１５０℃に加熱して乾燥させる。なお、フラーレンを抽出した溶媒は、フラーレンの凝縮・精製用に別途回収する。
【００３８】
また、フラーレン残渣物は、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ナフタレン、あるいはヘキサンなどの分子中に主として炭素原子及び水素原子を含む有機化合物を不完全燃焼させ、得られたフラーレンスートから上述した製造方法と同様にして回収するようにしてもよい。
【００３９】
更に、フラーレン残渣物は、アーク放電法あるいは燃焼法の他にも、レーザーアブレーション法、気相熱分解法、化学的気相堆積法、あるいは水熱法など等の種々の方法により製造することもできる。
【００４０】
ガス拡散部材１０は、例えば、撥水剤１２Ａと導電剤１２Ｂとを分散媒に分散させて塗料を形成したのち、この塗料を基体１１に塗布し、分散媒を揮発させることにより形成することができる。
【００４１】
このように本実施の形態によれば、導電剤１２Ｂとして、カーボンブラックなどよりもタップ密度が大きいフラーレン残渣物あるいはその誘導体を用いるようにしたので、カーボンブラックなどを用いる場合に比べて、撥水剤１２Ａの量を少なくしても十分な撥水性を得ることができる。よって、導電性を向上させることができる。また、撥水層１２の厚みを薄くすることもできる。
【００４２】
更に、上述のようにフラーレン残渣物およびその誘導体は、カーボンブラックなどに比べて分散媒に対して均一に分散させることができるので、分散媒の量を少なくすることができ、作業性のよい塗料を形成することができると共に、撥水層１２の触媒電極対向面の均一性を容易に高めることができる。
【００４３】
このガス拡散部材１０は、例えば、次のようにして燃料電池に用いられる。
【００４４】
（第１の燃料電池）
図４は、本実施の形態に係るガス拡散部材１０を用いた第１の燃料電池の構成を表すものである。この第１の燃料電池は、電解質２０を挟んで燃料極３０と酸化剤極４０とが設けられた構成を有している。これら電解質２０，燃料極３０および酸化剤極４０は、外装部材５０の内部に収納されている。
【００４５】
電解質２０は、例えば、プロトン伝導性高分子膜により構成されている。プロトン伝導性高分子膜としては、例えば、スルホン酸基（−ＳＯ３  Ｈ）を有するパーフルオロカーボン重合体の膜や、プロトン伝導性の粉末を樹脂に分散させたコンポジット膜や、あるいはプロトン伝導性無機材料と高分子材料とを合成したハイブリッド膜が挙げられる。また、常温溶融塩を高分子材料に分散させた常温溶融塩複合膜を用いることも可能である。
【００４６】
燃料極３０は、本実施の形態に係るガス拡散部材１０と、この撥水層１２の側に設けられた触媒層３１とを有しており、触媒層３１の側が電解質２０と接するように配置されている。触媒層３１は、白金（Ｐｔ）または白金とルテニウム（Ｒｕ）等との合金の触媒を含んでおり、例えば、触媒をカーボンブラックなどの触媒担持体に担持させてプロトン伝導性高分子材料に分散させた構成を有している。
【００４７】
酸化剤極４０は、燃料極３０と同様の構成を有している。すなわち、ガス拡散部材１０と、この撥水層１２の側に設けられた触媒層４１とを有しており、触媒層４１の側が電解質２０と接するように配置されている。触媒層４１は触媒層３１と同様の構成を有している。
【００４８】
外装部材５０の内部には、また、燃料極３０に隣接して燃料室５１が設けられると共に、酸化剤極４０に隣接して酸化剤室５２が設けられている。燃料室５１は、外装部材５０に設けられた一対の流通孔５３を介して図示しない燃料貯蔵部に接続されており、図示しないポンプなどにより燃料貯蔵部から水素（Ｈ２）などの燃料が燃料室５１に供給されるようになっている。酸化剤室５２は、外装部材５０に設けられた流通孔５４を介して外部と連通しており、自然換気により空気を酸化剤極４０に供給するようになっている。
【００４９】
この第１の燃料電池では、燃料極３０に燃料が供給され、触媒層３１においてプロトン（Ｈ＋  ）と電子とを生成する。プロトンは電解質２０を通って酸化剤極４０に移動し、電子および供給された空気中の酸素（Ｏ２）と反応して、水を生成する。その際、燃料極３０および酸化剤極４０の撥水層１２Ａは十分な撥水性および導電性を有しているので、燃料極３０および酸化剤極４０において水素あるいは酸素が十分に拡散すると共に、電子も容易に移動する。
【００５０】
このように本実施の形態によれば、燃料極３０および酸化剤極４０に本実施の形態に係るガス拡散部材１０を用いるようにしたので、燃料極３０および酸化剤極４０の撥水性を損なうことなく良好な導電性を得ることができる。よって、燃料極３０および酸化剤極４０におけるガス拡散性および導電性を向上させることができ、発電効率などの特性を向上させることができる。
【００５１】
（第２の燃料電池）
次に、本実施の形態に係るガス拡散部材１０を用いた第２の燃料電池について説明する。この第２の燃料電池は、触媒層３１，４１が上述したフラーレン残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含む触媒担持体に担持させた触媒を含有することを除き、他は第１の燃料電池と同様である。よって、ここでは図３を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５２】
フラーレン残渣物およびその誘導体は、上述したように、炭素の五員環および六員環が三次元的に配列されており、その三次元ネットワークにより触媒を均一に担持することができるようになっている。また、フラーレン残渣物およびその誘導体は、上述したようにカーボンブラックなどよりもタップ密度が大きいので、カーボンブラックなどを用いる場合に比べて触媒担持体の分散性を向上させることが可能である。なお、触媒担持体には、フラーレン残渣物およびその誘導体の少なくとも１種のみを用いるようにしてもよいが、カーボンブラックなどの他の材料と混合して用いるようにしてもよい。
【００５３】
この第２の燃料電池では、触媒層３１，４１において触媒が均一に分散されているので、電極反応が効率よく起こり、発電効率が向上する。
【００５４】
このように本実施の形態に係る第２の燃料電池によれば、燃料極３０および酸化剤極４０にフラーレン残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含む触媒担持体を用いるようにしたので、フラーレン残渣物またはその誘導体の三次元ネットワークにより触媒を均一に担持させることができると共に、触媒坦持体の分散性も向上させることができる。よって、導電性を損ねることなく、触媒の分散性を高めることができる。従って、燃料極３０および酸化剤極４０の反応効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。更に、フラーレン残渣物およびその誘導体はカーボンブラックなどに比べてタップ密度が大きいので、触媒層３１，４１を緻密に薄くすることができ、燃料電池の薄型化および小型化を図ることができる。
【００５５】
（第３の燃料電池）
次に、本実施の形態に係る触媒担持体を用いた第３の燃料電池について説明する。この第３の燃料電池は、電解質１０が上述したフラーレン残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含むことを除き、他は第１の燃料電池と同様である。よって、ここでは図３を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５６】
フラーレン残渣物の誘導体としては、ポリ水酸化したフラーレン残渣物が挙げられ、これは、フラーレン残渣物に複数の水酸基を付加した構造を持ったものである。また、水酸基の数やその分子内配置などには幾つかのバリエーションも可能である。これ以外にたとえば複数の−ＯＳＯ３Ｈ基をもつフラーレン残渣物の凝集体をプロトン伝導体として用いることによっても発揮される。ＯＨ基がＯＳＯ３Ｈ基と置き換わったポリ水酸化フラーレン残渣物、すなわち硫酸水素エステル化したフラーレン残渣物でもよく、これは、一つの分子内にＯＳＯ３Ｈ基のみを含むものもあるし、あるいはこの基と水酸基をそれぞれ複数、もたせることも可能である。これによりフラーレン残渣物は、電離によりプロトンを解離し得る官能基に沿ってプロトンが水の存在なしに飛ぶように伝導し、プロトン伝導性を示すようになっている。
【００５７】
この電解質は、また、絶縁材を含んでいる。フラーレンは導電性を有していないが、フラーレン残渣物は導電性を有するからである。絶縁材としては、例えば、ＰＴＦＥあるいはポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ；ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  ｆｌｕｏｒｉｄｅ  ）が挙げられる。
【００５８】
この電解質は、必要に応じて、フラーレン残渣物などの表面にプロトンを解離し得る官能基を付着させ、その後、フラーレン残渣物などと絶縁材とを混合するようにしてもよいし、あるいは官能基の付着と混合との順序を逆にしてもよい。また、フラーレン残渣物等の表面にプロトンを電離し得る官能基を付着させ多孔質膜等に充填しても良い。この多孔質膜は、絶縁材で膜化ができるものであって、例えばフッ素系樹脂であるＰＴＦＥやＰＶｄＦが挙げられる。
【００５９】
なお、上記第１および第２の燃料電池では、触媒担持体に担持させた触媒をプロトン伝導性高分子材料に分散させて触媒層３１，４１を構成するようにしたが、第３の燃料電池では、触媒担持体に担持させた触媒を、フラーレン残渣物およびその誘導体の少なくとも１種とバインダとの混合物に分散させるようにしてもよい。
【００６０】
このように本実施の形態に係る第３の燃料電池によれば、電解質１０がフラーレン残渣物あるいはその誘導体を含むようにしたので、官能基に沿ってプロトンが水の存在なしに飛ぶように伝導し、水分を伴わなくとも良好なプロトン伝導性を確保することができる。また、安価に製造することができる。
【００６１】
なお、第３の燃料電池においても、第２の燃料電池と同様に、撥水層１２が、導電剤として上述したフラーレン残渣物およびその誘導体の少なくとも１種を含むようにしてもよい。
【００６２】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態では、燃料極３０および酸化剤極４０の両方に本発明のガス拡散部材１０を用いるようにしたが、どちらか一方に用いるようにしてもよい。また、上記実施の形態では、燃料極３０および酸化剤極４０の両方にフラーレン残渣物またはその誘導体を含む触媒担持体を用いる場合について説明したが、どちらか一方に用いるようにしてもよい。
【００６３】
更に、上記実施の形態では、電解質１０にフラーレン残渣物またはその誘導体を用いる場合にも、燃料極２０および酸化剤極３０の両方に撥水層２２，３２を設けるようにしたが、燃料極２０には必ずしも設けなくてもよい。酸化剤極３０では、反応により水が発生するので撥水層３２を設けることが好ましいが、燃料極２０では、電解質１０において水が不要となった場合、撥水させる必要がないからである。
【００６４】
更に、上記実施の形態では、各構成要素の材料および構造について具体的に説明したが、他の材料および構造であってもよい。例えば、酸化剤極４０への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、空気以外の酸素を含む酸化剤ガスを供給するようにしてもよい。また、燃料極３０に水素ガスをポンプなどで循環させて供給するようにしたが、水素吸蔵合金などを用いて供給するようにしてもよく、メタノール水溶液あるいはエタノール水溶液などの液体燃料を供給するようにしてもよい。
【００６５】
加えて、上記実施の形態では、単セル型の燃料電池について説明したが、本発明は、複数のセルを積層した積層型のものについても適用することができる。
【００６６】
更にまた、上記実施の形態では、本発明のガス拡散部材１０を燃料電池に用いる場合について説明したが、ガス拡散性および導電性が求められる電極などに広く適用することができ、燃料電池以外にも用いることができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるガス拡散部材、電極または燃料電池によれば、フラーレンの製造過程において生じた残渣物あるいはその誘導体、または炭素の五員環および六員環が三次元的に配列し、かつ閉じた空間を形成していない分子構造を有する炭素化合物、またはＸ線回折スペクトルにおける２θが３０°以下の領域において非晶質構造に由来する非ピーク状分布を有する炭素化合物を撥水層に含むようにしたので、撥水剤の量を少なくしても十分な撥水性を得ることができる。よって、撥水性を損なうことなく導電性を向上させることができる。従って、電極におけるガス拡散性および導電性を向上させることができ、発電効率などの特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るガス拡散部材の構成を概念的に表す断面図である。
【図２】図１に示したガス拡散部材の撥水層に用いられるフラーレン残渣物のＸ線回折パターンを表す特性図である。
【図３】図１に示したガス拡散部材の撥水層に用いられるフラーレン残渣物の結晶構造を表すＴＥＭ写真である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る燃料電池の構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１０…ガス拡散部材、１１…基体、１２…撥水層、１２Ａ…撥水剤、１２Ｂ…導電剤、２０…電解質、３０…燃料極、３１，４１…触媒層、４０…酸化剤極、５０…外装部材、５１…燃料室、５２…酸化剤室、５３，５４…流通孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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