(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池の内部抵抗を低下させる。【解決手段】固体高分子電解質膜１の両面に電極触媒層３を備え、この電極触媒層３の外側の面に、炭素繊維の横糸１５および縦糸１７で織り込んだカーボンクロス１３からなるガス拡散電極５を配置する。このガス拡散電極５のさらに外側に、ガス流路１９ａを備えたセパレータ９を配置して固体高分子型燃料電池を構成する。ガス拡散電極５には、カーボンクロス１３の一方の面から他方の面に貫通する導電性ワイヤ１９を設け、この導電性ワイヤ１９は、電極触媒層３とセパレータ９との少なくとも一方に接触している。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維の糸で織り込んだカーボンクロスからなる燃料電池用電極において、前記カーボンクロスの一方の面から他方の面に向けて貫通する導電性材料を設けたことを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項２】
前記導電性材料は、カーボンクロスの一方の面と他方の面との間を、交互に連続して編み込んで形成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用電極。
【請求項３】
前記導電性材料は、前記カーボンクロスの一方の面と他方の面との少なくとも一方に位置する端部が、複数に枝分かれしていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用電極。
【請求項４】
前記導電性材料は、絶縁材料を付加する撥水処理を未処理としていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用電極。
【請求項５】
前記導電性材料は、炭素を含んでいることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池用電極。
【請求項６】
電解質膜の両面に電極触媒層を備えるとともに、この各電極触媒層の外側の面に、炭素繊維の糸で織り込んだカーボンクロスからなる燃料電池用電極を設け、この燃料電池用電極のさらに外側の面に、ガス流路を備えたセパレータを配置した燃料電池において、前記燃料電池用電極に、前記カーボンクロスの一方の面から他方の面に向けて貫通する導電性材料を設け、この導電性材料は、前記電極触媒層と前記セパレータとの少なくとも一方に接触している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】
この発明は、炭素繊維の糸で織り込んだカーボンクロスからなる燃料電池用電極および燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常燃料電池は、電解質膜の両側に電極触媒層を設け、さらにその外側にガス拡散電極を配置した単セルを、ガス流路を備えたセパレータで挟持し、これらを複数積層したものが用いられる。
【０００３】
このような燃料電池において、効率よく発電を行なうには、各構成部材の電気抵抗、構成部材間の接触抵抗などの燃料電池の内部抵抗を低減する必要がある。
【０００４】
従来この燃料電池の内部抵抗を低減するものとして、例えば、特開平７−１３５００１号公報に記載されたものが知られている。これによると、ガス拡散電極となるカーボンクロスを織成する炭素繊維を、セパレータのガス流路方向と交差する配置とすることで、炭素繊維をセパレータに接触させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の燃料電池では、ガス拡散電極とセパレータとの間の接触抵抗は低減されるものの、燃料電池の電流経路方向（電極触媒層とセパレータとの積層方向）については、横糸および縦糸で編み込んだ炭素繊維を、セパレータおよび電極触媒層の双方に接触させる必要があり、このような接触状態を考慮していない。このため、上記した従来の燃料電池に電流を流すには、横糸相互間、縦糸相互間あるいは、横糸縦糸相互間の接触部を多数通過する必要があり、ガス拡散電極の内部抵抗は依然として高いという問題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、燃料電池用電極の内部抵抗を低下させることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、炭素繊維の糸で織り込んだカーボンクロスからなる燃料電池用電極において、前記カーボンクロスの一方の面から他方の面に向けて貫通する導電性材料を設けた構成としてある。
【０００８】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池用電極を構成するカーボンクロスの一方の面から他方の面に向けて貫通する導電性材料を設けたため、この導電性材料により、燃料電池用電極内にて一方の面から他方の面に向けて直接流れる電流経路が形成され、燃料電池用電極の内部抵抗を低減させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は、この発明の第１の実施形態による固体高分子型燃料電池の断面図である。この燃料電池は、固体高分子電解質膜１の両側に電極触媒層３を設けるとともに、その外側に燃料電池用電極としてのガス拡散電極５を配置し、さらにその両側から、ガス流路９ａを備えた集電体となるセパレータ９で挟持固定している。
【００１１】
この実施形態では、以下の手順に従って固体高分子型燃料電池を作製する。まず、図２に示すように、撥水処理を未処理とした状態で所定の大きさに打ち抜いた市販のカーボンクロス１３を準備する。このカーボンクロス１３は、炭素繊維よりなる横糸１５および縦糸１７を互いに織り込んで形成してある。なお、図２（ａ）はカーボンクロス１３の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００１２】
次に、このカーボンクロス１３を、所定の濃度に調整した例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系溶液中に所望時間浸漬した後、大気中または窒素雰囲気中で乾燥させ、さらに加熱する。これにより、カーボンクロス１３に絶縁材料が付加されることになる撥水処理を施す。
【００１３】
続いて、図３に示すように、上記したような撥水処理を施していない導電性材料としての複数本の導電性ワイヤ１９を、撥水処理後のカーボンクロス１３の全面にわたり、一方の面から他方の面に向けて、図３（ｂ）中で上下方向に貫通させる。その後、この貫通した導電性ワイヤ１９を、カーボンクロス１３の厚さ寸法とほぼ同じ長さとなるよう切断する。なお、図３（ａ）はガス拡散電極５の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００１４】
これにより、カーボンクロス１３の一方の面から他方の面に貫通した導電性ワイヤ１９を含むガス拡散電極５が完成する。上記した導電性ワイヤ１９は、例えば炭素，金，ニッケル，アルミニウムなどで構成する。
【００１５】
次に、白金などの貴金属触媒を担持させた炭素粉末と固体高分子電解質のアルコール溶液とを混合した電極触媒ペーストを作製し、この電極触媒ペーストを、先に完成したガス拡散電極５の一方の面に、刷け塗りまたはスクリーン印刷法などによ塗布し、電極触媒層３を形成する。
【００１６】
その後、この電極触媒層３が一方の面に形成されたガス拡散電極５を、スルホン酸系のプロトン伝導性の固体高分子電解質膜１の両面に、電極触媒層３が接するように配置する。そしてこの状態で、ホットプレスにより熱圧着することで、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）７を構成する。その後、このＭＥＡ７の周縁全周に、シール材２１を介装した状態で、片面にガス流路９ａを備えた前記セパレータ９で所定の面圧になるように締め付け、これにより固体高分子型燃料電池の単セルが完成する。実際の燃料電池では、この単セルを複数積層して用いる。
【００１７】
このようにして作製した固体高分子型燃料電池は、セパレータ９と電極触媒層３との間を直接流れる電流経路が、カーボンクロス１３の一方の面から他方の面に貫通する導電性ワイヤ１９によって形成される。このため、横糸１５および縦糸１７からなる炭素繊維が、セパレータ９および電極触媒層３の双方に確実に接触しない部分があっても、これら双方間の接触部抵抗が低減し、ガス拡散電極５の内部抵抗が低下する。これにより固体高分子型燃料電池として内部抵抗が低減し、発電特性の優れた固体高分子型燃料電池を得ることができる。
【００１８】
なお、上記した導電性ワイヤ１９は、セパレータ９と電極触媒層３との少なくとも一方に接触するようにしても、接触部抵抗を低下させることができる。
【００１９】
また、導電性ワイヤ１９は、撥水処理を行なっていないことから、電流経路となる導電性ワイヤ１９に、接触抵抗を増大させる電気絶縁性材料が含まれず、燃料電池の内部抵抗をより低減することができる。
【００２０】
さらに、導電性ワイヤ１９は、炭素を含むものとすることで、ガス拡散電極５を構成している材料（炭素繊維）と同一となり、容易に燃料電池の内部抵抗を低減させることができる。
【００２１】
図４は、この発明の第２の実施形態による固体高分子型燃料電池の断面図で、図５は、そのガス拡散電極５０の断面図である。この実施形態は、前記第１の実施形態におけるカーボンクロス１３に貫通して設けた導電性ワイヤ１９の少なくとも一方の端部１９ａを、複数に枝分かれする構成としている。その他の構成は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号と付してある。
【００２２】
上記第２の実施形態によれば、導電性ワイヤ１９は、その端部１９ａが枝分かれしていることから、電極触媒層３およびセパレータ９への接触面積が増大し、この接触部における接触抵抗をより低減することができる。
【００２３】
図６は、この発明の第３の実施形態による固体高分子型燃料電池の断面図で、図７（ａ）はそのガス拡散電極５００の平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００２４】
この実施形態は、前記した第１の実施形態と同様に、炭素，金，ニッケル，アルミニウムなどの撥水処理していない導電性材料としての導電性ワイヤ１９０を、撥水処理後のカーボンクロス１３に対し、図７（ｂ）中で上下両面に向けて貫通させて設けている。
【００２５】
ここでの導電性ワイヤ１９０は、カーボンクロス１３に対し、例えば図７中で左側の端部において、一方面から他方の面に貫通させた後、例えばカーボンクロス１３の横糸１５方向（図７中で右方向）に連続させて編み込んでいく。そして、図７中で右側の端部まで編み込んだ後は、縦糸１７方向（図７（ａ）中で上下方向）に移動し、再び横糸１５方向（図７中で左方向）に編み込んでいく。
【００２６】
このような編み込み作業を繰り返すことで、導電性ワイヤ１９０は、カーボンクロス１３の一方の面から他方の面に達し、また面方向でも連続した導電性ワイヤ１９０を含むガス拡散電極５００が得られる。その他の構成は、第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号と付してある。
【００２７】
なお、上記したガス拡散電極５００における導電性ワイヤ１９０の一方の面から他方の面への貫通は、カーボンクロス１３の面に対して垂直方向（ガス拡散電極５００の厚さ方向）が望ましいが、面方向に伸びていても、ガス拡散電極５００の一方の面から他方の面に貫通していればよい。
【００２８】
上記した第２の実施形態によれば、導電性ワイヤ１９０がカーボンクロス１３の一方の面から他方の面に貫通しているので、第１の実施形態と同様に燃料電池としての内部抵抗を低減することができる。さらに、この例では、１本の連続した導電性ワイヤ１９０を編み込めばよいので、カーボンクロス１３を貫通する導電性ワイヤ１９０を備えたガス拡散電極５００を容易に形成することができる。
【００２９】
図８は、この発明の第４の実施形態による固体高分子型燃料電池の断面図で、図９は、そのガス拡散電極５０００の断面図である。この実施形態は、前記第３の実施形態におけるカーボンクロス１３に貫通して設けた導電性ワイヤ１９０の、図９中で上下両端のうちの少なくとも一方の端部１９０ａを、図４，図５に示した第２の実施形態と同様に複数に枝分かれする構成としている。その他の構成は第３の実施形態と同様であり、第３の実施形態と同一の構成要素には同一符号と付してある。
【００３０】
このような構成とすることで、導電性ワイヤ１９０は、その端部１９０ａが枝分かれしていることから、電極触媒層３およびセパレータ９への接触面積が増大し、この接触部における接触抵抗をより低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態による固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図２】図１の固体高分子型燃料電池のガス拡散電極を構成するカーボンクロスを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図２のカーボンクロスに導電性ワイヤを貫通させたガス拡散電極を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】この発明の第２の実施形態による固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図５】図４の固体高分子型燃料電池におけるガス拡散電極の断面図である。
【図６】この発明の第３の実施形態による固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図７】図６の固体高分子型燃料電池のガス拡散電極を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図８】この発明の第４の実施形態による固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図９】図８の固体高分子型燃料電池におけるガス拡散電極の断面図である。
【符号の説明】
１　固体高分子電解質膜（電解質膜）
３　電極触媒層
５，５０，５００，５０００　ガス拡散電極（燃料電池用電極）
９　セパレータ
９ａ　ガス流路
１３　カーボンクロス
１９，１９０　導電性ワイヤ（導電性材料）
１９ａ，１９０ａ　導電性ワイヤの枝分かれしている端部
【図１】
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【図２】
2004063348.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004063348.tif 000007
【図６】
2004063348.tif 000008
【図７】
2004063348.tif 000009
【図８】
2004063348.tif 000010
【図９】
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