(57)【要約】【課題】  電気化学反応を用いたエネルギ変換装置における反応効率を向上させることができる技術を提供することを目的とする。【解決手段】  エネルギ変換装置が有する電解質膜に接合される電極用カーボンクロスとして、カーボン繊維と補強繊維とを用いて形成されたカーボンクロスを用いる。【選択図】  図２
2005251666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応によって電気エネルギと物質の化学エネルギとを変換するエネルギ変換装置が有する電解質膜に接合される電極用のカーボンクロスであって、
カーボン繊維と補強繊維とを用いて形成されていることを特徴とするカーボンクロス。
【請求項２】
請求項１に記載のカーボンクロスであって、
前記カーボン繊維と前記補強繊維とを編み込んで形成されていることを特徴とする、カーボンクロス。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のカーボンクロスであって、
前記補強繊維は、金属の繊維の表面が、前記エネルギ変換装置の動作状態において前記金属よりも化学的に安定な材質の被膜で覆われたものである、カーボンクロス。
【請求項４】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜に接合された電極と、を含み、
前記電極は、
前記電解質膜に接して設けられた触媒層と、
前記触媒層に接して設けられた請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のカーボンクロスと、を含む、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギと物質の化学エネルギとを変換するエネルギ変換装置の電極用カーボンクロスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学反応によって物質の化学エネルギを電気エネルギに変換する装置として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質を用いて水素と酸素とを反応させ、その化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する装置である。電解質には電極が設けられ、電極を介して、外部回路との電子のやり取りが行われる。また、電極には、反応に用いられる反応ガスが供給される。ここで、反応ガスが電極の一部の領域に偏って供給されると、発電効率が低下する可能性がある。そこで、反応ガスを電極の全体に拡散させるためのガス拡散層を有する電極が用いられている。このようなガス拡散層は、ガスが通るための空隙を有しており、例えば、金属メッシュを用いたものや、多孔質層を積層したものが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−５８０７２号公報
【特許文献２】特開２０００−５８０７３号公報
【０００４】
ところが、組み立てられた燃料電池においてガス拡散層が変形すると、反応ガスが十分に拡散されずに電極の一部の領域に偏って供給されて、発電効率が低下する場合があった。また、硬く変形しにくいガス拡散層を用いると、他の部材との接触抵抗（電気抵抗）が高くなり、発電効率が低下する場合があった。
【０００５】
なお、こうした問題は、燃料電池に限らず、他の種類のエネルギ変換装置においても共通の課題である。例えば、電気化学反応によって電気エネルギを物質の化学エネルギに変換する装置として、水の電気分解装置がある。水の電気分解装置では、電解質に設けられた電極に電気（電子）を流すことによって、電極から、電気化学反応によって生じた反応ガスが発生する（通常は、水素と酸素）。ここで、発生した反応ガスが、電極の一部の領域から偏って収集されると、分解効率が低下する可能性がある。そこで、ガス拡散層を有する電極が用いられる場合がある。このような場合も、上述した燃料電池と同様の問題が生じる場合があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電気化学反応を用いたエネルギ変換装置における反応効率を向上させることができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、この発明におけるカーボンクロスは、電気化学反応によって電気エネルギと物質の化学エネルギとを変換するエネルギ変換装置が有する電解質膜に接合される電極用のカーボンクロスであって、カーボン繊維と補強繊維とを用いて形成されていることを特徴とする。
【０００８】
このカーボンクロスによれば、カーボンクロスと他の部材とを接触させた場合に、導電性を有するカーボン繊維が他の部材の形状に合わせて変形し、接触面積が増えるので、接触面での接触抵抗を低くすることができる。さらに、カーボンクロスに不均等な荷重がかかる場合であっても、カーボンクロスの一部の領域が押しつぶされることが補強繊維によって抑制されるので、反応ガスが電極の一部の領域に偏って流れることを抑制することができる。この結果、反応効率を向上させることができる。
【０００９】
上記カーボンクロスは、前記カーボン繊維と前記補強繊維とを編み込んで形成されていることが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、つぶれにくいカーボンクロスを容易に形成することができる。
【００１１】
上記各カーボンクロスにおいて、前記補強繊維は、金属の繊維の表面が、前記エネルギ変換装置の動作状態において前記金属よりも化学的に安定な材質の被膜で覆われたものであることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、金属繊維を用いることによって、容易にカーボンクロスを形成することができる。また、金属繊維の表面が被覆で覆われているので、エネルギ変換装置の動作状態において、金属繊維が腐食することを抑制することができる。
【００１３】
なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、上述のカーボンクロスを有する電極の発明や、その電極を有する燃料電池やエネルギ変換装置の発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池の構成：
Ｂ．第１実施例：
Ｃ．変形例：
【００１５】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１０（「単セル」とも呼ぶ）の構造を示す斜視図である。この単セル１０は、電解質膜３０と、電解質膜３０の両側に接した状態で設けられるアノード電極４０およびカソード電極５０と、単セル１０を積層する際にアノード電極４０とカソード電極５０との間に介挿されるセパレータ６０とを有している。電解質膜３０は、例えば固体高分子電解質で構成されている。
【００１６】
セパレータ６０は、アノード電極４０と接する面に複数の溝部６４を有している。セパレータ６０とアノード電極４０とが接合されると、溝部６４は、燃料ガスが流れる燃料ガス流路ＦＬ４を形成する。また、セパレータ６０は、カソード電極５０と接する面に、溝部６４と同様の複数の溝部６５を有している。セパレータ６０とカソード電極５０とが接合されると、溝部６５は、酸化ガスが流れる酸化ガス流路ＦＬ５を形成する。セパレータ６０は、水素透過性が低く導電性の良好な材料で形成されており、例えば樹脂に導電材料を混入して成形したものが用いられる。
【００１７】
アノード電極４０は、電解質膜３０に接して設けられたアノード触媒層４２と、アノード触媒層４２に接して設けられたアノード拡散層４４とで構成されている。カソード電極５０も同様に、電解質膜３０に接して設けられたカソード触媒層５２と、カソード触媒層５２に接して設けられたカソード拡散層５４とで構成されている。アノード触媒層４２とカソード触媒層５２とは、触媒を含み導電性の良好な材料で形成されており、例えば、触媒としての白金を担持したカーボン粉と、電解質膜３０に用いられる電解質とを混ぜた樹脂を、膜状に成形したものが用いられる。なお、アノード電極４０とカソード電極５０を構成する各層は、いずれも導電性を有している。
【００１８】
Ｂ．第１実施例：
図２（Ａ）は、アノード拡散層４４として用いられるカーボンクロスの構成を示している。第１実施例では、カーボン繊維を撚って形成された糸（以下、「炭素糸ＣＳ」と呼ぶ）と、白金を用いて形成された糸（以下、「白金糸ＰｔＳ」と呼ぶ）とを編み込んで形成したカーボンクロス（以下、「補強カーボンクロスＲＣ」と呼ぶ）が、アノード拡散層４４として用いられる。図２（Ａ）では、炭素糸ＣＳは実線で示され、白金糸ＰｔＳはハッチングを付した線で示されている。このように、炭素糸ＣＳと白金糸ＰｔＳとを編み込むことによって、カーボンクロスをつぶれにくくすることができる。なお、図２（Ａ）の例では、炭素糸ＣＳと白金糸ＰｔＳとの本数の比率が、ＣＳ：ＰｔＳ＝５：１であるものとしている。
【００１９】
図２（Ｂ）は、カーボンクロスの比較例の構成を示している。このカーボンクロス（以下、「無補強カーボンクロスＵＲＣ」と呼ぶ）は、炭素糸ＣＳのみを用いて形成されている。また、この無補強カーボンクロスＵＲＣの構成は、図２（Ａ）に示した補強カーボンクロスＲＣにおける白金糸ＰｔＳを炭素糸ＣＳに置き換えたものと同じである。
【００２０】
図３は、単セル１０（図１）をＡ方向に沿って見た断面図を示している。ここでは、単セル１０のアノード電極４０側の半分が示されている。図３（Ａ）は、補強カーボンクロスＲＣをアノード拡散層４４として用いた第１実施例における断面図を示している。また、図３（Ｂ）は、補強カーボンクロスＲＣの代わりに無補強カーボンクロスＵＲＣをアノード拡散層４４ｘとして用いた比較例における断面図を示している。白抜きの矢印は、燃料ガス流路ＦＬ４からアノード触媒層４２へ至る燃料ガスの流れを示し、実線の矢印は、アノード触媒層４２からセパレータ６０へ至る電子の流れを示している。
【００２１】
上述したように、セパレータ６０のアノード拡散層４４、４４ｘに接する面には複数の凹部（溝部６４）が設けられている。従って、比較例では、図３（Ｂ）に示すように、アノード拡散層４４ｘ（無補強カーボンクロスＵＲＣ）とセパレータ６０との接合面において、セパレータ６０がアノード拡散層４４ｘの一部の領域（部分ＣＰ２）のみに接している。この接する部分ＣＰ２は、セパレータ６０からの荷重を受け、つぶれてへこんでいる。従って、この部分ＣＰ２の空隙は小さくつぶれ、燃料ガスの流れる量が少なくなる。その結果、この部分ＣＰ２への燃料ガスの供給量が少なくなり、この部分ＣＰ２と接するアノード触媒層４２が有効に利用されなくなる。
【００２２】
また、アノード拡散層４４ｘの、セパレータ６０と接していない部分ＮＣＰ２は、セパレータ６０からの荷重を直接受けていないので、アノード触媒層４２へ押しつけられる圧力（荷重）が、接している部分ＣＰ２と比べて小さくなる。その結果、この部分ＮＣＰ２とアノード触媒層４２との接触抵抗（電気抵抗）が、接している部分ＣＰ２と比べて高くなる。
【００２３】
一方、第１実施例（図３（Ａ））では、アノード拡散層４４（補強カーボンクロスＲＣ）が白金糸ＰｔＳによって補強されているので、セパレータ６０と接する部分ＣＰ１のへこみが小さい。その結果、この部分ＣＰ１への燃料ガスの供給量が少なくなることを抑制することができる。
【００２４】
また、第１実施例では、アノード拡散層４４が補強によってつぶれにくくなっているので、アノード拡散層４４とアノード触媒層４２との接合面における圧力（荷重）のバラツキを小さくすることができる。具体的には、セパレータ６０と接している部分ＣＰ１と、接していない部分ＮＣＰ１との、アノード触媒層４２へ押しつけられる圧力（荷重）の差を小さくすることができる。その結果、アノード拡散層４４とアノード触媒層４２との接触抵抗が、一部の領域（接していない部分ＮＣＰ１）で高くなることを抑制することができる。
【００２５】
また、このように、アノード拡散層４４とアノード触媒層４２との接合面において、荷重が一部の領域（セパレータ６０と接している部分ＣＰ１）に集中することを抑制できるので、単セル１０の耐久性を向上させることもできる。
【００２６】
さらに、第１実施例では、アノード拡散層４４と、アノード触媒層４２やセパレータ６０との接触面において、カーボン繊維が、アノード触媒層４２やセパレータ６０の形状に合わせて変形するので、接触面積を増加させ、接触抵抗を低く抑えることができる。
【００２７】
なお、図３では、単セル１０のアノード電極４０側の半分を示したが、単セル１０のカソード電極５０側の半分も、アノード電極４０側と同様の構造を有している。また、カソード電極５０のカソード拡散層５４としても、同じ補強カーボンクロスＲＣが用いられる。その結果、カソード拡散層５４においても、酸化ガスが一部の領域に偏って流れることを抑制し、他の部材との接触抵抗を低く抑えることができる。
【００２８】
また、カソード電極５０では、電気化学反応によって水が生成される。このような水は、通常は、酸化ガスの流れによって吹き飛ばされて、外部に排出される。この際、カソード拡散層５４につぶれた部分があると、その部分では酸化ガスの流量が少なく、流速も遅いので、水が排出されずに溜まってしまう場合がある。すると、カソード拡散層５４の空隙が水によって閉塞し、その部分への酸化ガスの供給量が更に減るので、発電効率が低下する可能性がある。そこで、カソード拡散層５４として補強カーボンクロスＲＣを用いれば、カソード拡散層５４がつぶれにくくなるので、水が溜まることによる発電効率の低下を抑制することができる。なお、カソード電極５０で生成された水の一部は、電解質膜３０を透過してアノード電極４０側に移動する。そこで、アノード拡散層４４として補強カーボンクロスＲＣを用いれば、アノード拡散層４４に水が溜まることを抑制することができる。
【００２９】
図４は、第１実施例と比較例とにおける、単セル１０の電流密度／電圧特性を示すグラフである。第１実施例は、比較例と比べて高いセル電圧を示している。このように、アノード拡散層４４とカソード拡散層５４とに、補強カーボンクロスＲＣを用いることによって、発電効率を向上させることができる。
【００３０】
また、補強カーボンクロスＲＣにおける炭素糸ＣＳと白金糸ＰｔＳとの割合は、図２に示したもの以外の種々のものを採用することができる。この際、補強カーボンクロスＲＣをよりつぶれにくくするためには、白金糸ＰｔＳの割合を大きくすればよい。また、他の部材との接触抵抗をより小さくするためには、炭素糸ＣＳの割合を大きくすればよい。
【００３１】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３２】
Ｃ１．変形例１：
図５（Ａ）は、補強カーボンクロスの変形例の構成を示している。この補強カーボンクロスＲＣａは、カーボン繊維と白金とを用いて形成された補強糸ＲＳａを編み込んで形成されている。図５（Ｂ）は、補強糸ＲＳａの断面図を示している。補強糸ＲＳａは、カーボン繊維を用いて形成された糸（以下、「炭素糸ＣＳａ」と呼ぶ）と、白金を用いて形成された糸（以下、「白金糸ＰｔＳａ」と呼ぶ）とを束ねて形成されている。このような補強糸ＲＳａを編み込んで補強カーボンクロスを形成しても、つぶれにくく、かつ、他の部材との接触抵抗の小さい補強カーボンクロスＲＣａを形成することができる。そこで、このような補強カーボンクロスＲＣａを、アノード拡散層４４やカソード拡散層５４（図１）として用いれば、発電効率の低下を抑制することができる。
【００３３】
Ｃ２．変形例２：
エネルギ変換装置としての燃料電池では、燃料電池の動作状態において、アノード電極４０は還元雰囲気下に晒され、また、カソード電極５０は酸化雰囲気下に晒される。さらに、固体高分子電解質の中には、プロトン伝導性を実現する官能基としてのスルホン酸基を有するものがある。このような固体高分子電解質を用いた燃料電池では、発電に伴って、固体高分子電解質がスルホン酸基の部分でごく微量ずつ徐々に分解して硫酸が生じるので、アノード電極４０やカソード電極５０の置かれる環境は酸性化する。上述した第１実施例や変形例の補強カーボンクロスＲＣ、ＲＣａでは、補強繊維として白金糸ＰｔＳ、ＰｔＳａを用いている。このように、酸化雰囲気下や、還元雰囲気下や、酸性雰囲気下においても安定な貴金属（例えば、金や白金等）を用いて補強繊維を形成すれば、燃料電池の動作状態において、補強繊維が腐蝕してしまうことを抑制することができる。
【００３４】
なお、補強カーボンクロスＲＣ、ＲＣａでは、カーボン繊維が導電性を有しているので、白金のような貴金属以外の、導電性を有さない材料を含む種々の材料を用いて補強繊維を形成することができる。例えば、フッ素樹脂を繊維状に形成したフッ素繊維や、ガラスを繊維状に形成したガラス繊維を、補強繊維として用いても良い。また、金メッキなどの耐腐食処理を施した金属線（例えば、ステンレス線や銅線等）や、フッ素樹脂で表面を被覆した金属線等を、補強繊維として用いてもよい。このような、酸化雰囲気下や、還元雰囲気下や、酸性雰囲気下においても比較的安定な材料（金やフッ素樹脂等）を被覆として用いれば、比較的不安定な材料（例えば、ステンレス線や銅線等）を用いて補強繊維を形成しても、腐蝕しにくい補強カーボンクロスを形成することができるので、補強カーボンクロスを安価なものとすることができる。
【００３５】
Ｃ３．変形例３：
上述の第１実施例では、カソード電極５０とアノード電極４０との両方が、補強カーボンクロスＲＣを有しているが、カソード電極５０とアノード電極４０との少なくとも一方が、補強カーボンクロスを有する構成であれば、発電効率の低下を抑制することができる。
【００３６】
Ｃ４．変形例４：
上述の各実施例では、燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いたが、この他にも、リン酸電解質型や、アルカリ水溶液電解質型、固体電解質型、あるいは、溶融炭酸塩型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。
【００３７】
Ｃ５．変形例５：
上述の各実施例では、エネルギ変換装置として燃料電池を用いたが、この他にも、水の電気分解装置や、電気メッキ装置等、種々のタイプのエネルギ変換装置に、本発明のカーボンクロスを適用することができる。
【００３８】
Ｃ６．変形例６：
カーボンクロスを編むために用いる糸としては、比較的短い繊維を紡いで糸にしたものを用いても良く、また、比較的長い繊維をそのまま糸として用いても良い。さらに、複数の糸を束ねたものや、複数の糸を撚ったものを編み込んで、カーボンクロスを形成してもよい。このように複数の糸を集めたものを編み込んでカーボンクロスを形成すれば、よりつぶれにくくすることができる。このとき、第１実施例（図２（Ａ））のように、カーボン繊維と補強繊維とを別々に集めたものを編み込んでも良く、また、変形例（図５）のように、カーボン繊維と補強繊維とを合わせて集めたものを編み込んでもよい。なお、カーボンクロスは、編み込んで形成したものに限らず、不織布として形成したものを用いてもよい。
【００３９】
なお、カーボンクロスを形成するために用いる補強繊維としては、仮に、カーボン繊維のみで形成したカーボンクロスのカーボン繊維の一部を、同じ本数の候補繊維に置き換えた場合に、カーボンクロスがつぶれにくくなるような任意の繊維を用いることができる。カーボン繊維と補強繊維とで長さが異なる場合には、カーボン繊維の一部を同じ長さの補強繊維に置き換えて、つぶれにくさを比較すればよい。
【００４０】
カーボンクロスのつぶれにくさを示す指標としては、例えば、カーボンクロスの厚さの変化率を用いることができる。厚さの変化率とは、カーボンクロスの表面に一定の圧力をかけた場合の厚さの変化率（１−圧縮後の厚さ／元の厚さ）であり、厚さの変化率が小さいほど、つぶれにくいということができる。なお、カーボンクロスの厚さが薄い場合には、複数のカーボンクロスを重ねて厚さの変化率を測定してもよい。
【００４１】
また、カーボンクロスのつぶれにくさを示す指標として、カーボンクロスの表面の一部の領域のみに一定の圧力をかけた場合の、裏面における圧力分布の広さを用いても良い。このような圧力分布は、例えば、平らな台の上にシート状の面圧計を置き、その上にカーボンクロスを重ね、カーボンクロスの一部の領域に圧力をかけることによって測定することができる。このとき、裏面での圧力が、圧力がかけられた一部の領域に集中せずに、より広い領域に分布しているほど、つぶれにくいということができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１０の構造を示す斜視図。
【図２】カーボンクロスの構成を示す説明図。
【図３】単セル１０をＡ方向に沿って見た断面図。
【図４】第１実施例と比較例とにおける単セル１０の電流密度／電圧特性を示すグラフ。
【図５】補強カーボンクロスの変形例の構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００４３】
１０...燃料電池
３０...電解質膜
４０...アノード電極
４２...アノード触媒層
４４、４４ｘ...アノード拡散層
５０...カソード電極
５２...カソード触媒層
５４...カソード拡散層
６０...セパレータ
６４...溝部
ＦＬ４...燃料ガス流路
６５...溝部
ＦＬ５...酸化ガス流路
ＣＳ、ＣＳａ...炭素糸
ＰｔＳ、ＰｔＳａ...白金糸
ＲＳａ...補強糸
ＲＣ、ＲＣａ...補強カーボンクロス
ＵＲＣ...無補強カーボンクロス
【図１】
2005251666.tif 000003
【図２】
2005251666.tif 000004
【図３】
2005251666.tif 000005
【図４】
2005251666.tif 000006
【図５】
2005251666.tif 000007