(57)【要約】      （修正有）【課題】高い圧力や熱を伴うことなく燃料電池構成部材間を接合することが可能であり、かつ、発電特性が向上された燃料電池を提供する。【解決手段】繊維状の固体電解質膜側繊維状物質２が、固体電解質膜１の表面から垂直方向に配置され、繊維状のガス拡散層側繊維状物質４が、ガス拡散層３の表面から垂直方向に配置され、上記固体電解質膜および上記ガス拡散層は上記固体電解質膜側繊維状物質と上記ガス拡散層側繊維状物質とが接触するように配置されており、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部は導電性を有し、かつ、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部には触媒が担持されており、さらに、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方が、表面に凹凸を有することを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両側に配置されたガス拡散層とを少なくとも備えた燃料電池において、
繊維状の固体電解質膜側繊維状物質が、前記固体電解質膜の表面から前記表面に対して略垂直方向に配置され、繊維状のガス拡散層側繊維状物質が、前記ガス拡散層の一方の表面から前記表面に対して略垂直方向に配置され、前記固体電解質膜および前記ガス拡散層は前記固体電解質膜側繊維状物質と前記ガス拡散層側繊維状物質とが接触するように配置されており、
前記固体電解質膜側繊維状物質および前記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部は導電性を有し、かつ、前記固体電解質膜側繊維状物質および前記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部には触媒が担持されており、
さらに、前記固体電解質膜側繊維状物質および前記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方が、表面に凹凸を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記固体電解質膜側繊維状物質が導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記固体電解質膜側繊維状物質および前記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方の表面が、前記固体電解質膜側の方が前記ガス拡散層側よりも高い撥水性を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記固体電解質膜側繊維状物質および前記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方の表面が、領域により撥水性が異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い圧力や熱を伴うことなく構成部材間が接合され、発電特性が向上された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の最小発電単位である単位セルは一般に、固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００３】
このような燃料電池においては、それぞれ異なった特性の材料から成る上記各構成部材間を高い温度や圧力により接合することが多く、このような温度や圧力が燃料電池の構成部材に悪影響を及ぼすことがある。特に、上記触媒電極層と隣接するガス拡散層との間の電気抵抗を抑制するには上記触媒電極層とガス拡散層とを密着させる必要があり、そのためには両者を高い圧力において接合する必要がある。上記触媒電極層とガス拡散層との密着性を得るために、燃料電池セルは通常その膜厚方向に高い圧力が付加された状態でパッケージングされている。そのため、各構成部材はこのような圧力に対する強度が求められるため膜厚を厚くするなどの対策を講じる必要があり、燃料電池の小型化を阻む一因となっている。
【０００４】
特許文献１には、親水性の繊維状物質を含有する触媒層が開示されている。しかしながら、これは触媒層に繊維状物質を用いることにより触媒層の亀裂に対する強度を向上させようとするものであり、燃料電池の構成部材間の接合性を考慮したものではない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４７３１６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、高い圧力や熱を伴うことなく燃料電池構成部材間を接合することが可能であり、かつ、発電特性が向上された燃料電池を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側に配置されたガス拡散層とを少なくとも備えた燃料電池において、繊維状の固体電解質膜側繊維状物質が、上記固体電解質膜の表面から上記表面に対して略垂直方向に配置され、繊維状のガス拡散層側繊維状物質が、上記ガス拡散層の一方の表面から上記表面に対して略垂直方向に配置され、上記固体電解質膜および上記ガス拡散層は上記固体電解質膜側繊維状物質と上記ガス拡散層側繊維状物質とが接触するように配置されており、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部は導電性を有し、かつ、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部には触媒が担持されており、さらに、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方が、表面に凹凸を有することを特徴とする燃料電池を提供する。
【０００８】
本発明において固体電解質膜およびガス拡散層は、上記固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質とを接触させることにより接合される。このように、構成部材同士が接触する面積を大幅に増加させ、これらの接触面間の摩擦力によって２つの構成部材を接合しているため、従来のような高い圧力や熱を伴うことなく接合することができる。また、本発明においては、上記固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方が表面に凹凸を有しているため、構成部材同士の接触面積をさらに増加させることができ、より接合性を向上することができる。さらに、従来の触媒電極層に相当する領域を、触媒が担持された導電性を有する繊維状物質が一定の方向に配向された構成とすることで、フラッディングの抑制、ガス拡散性の向上、触媒の利用効率の向上等が可能となり、発電特性を向上することができる。
【０００９】
本発明においては、上記固体電解質膜側繊維状物質が導電性を有することが好ましい。導電性を有する固体電解質膜側繊維状物質を用いることにより、発電反応が進行する箇所からより効率的に集電することが可能になり、良好な発電特性を示す燃料電池を得ることができる。
【００１０】
本発明においては、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方の表面が、上記固体電解質膜側の方が上記ガス拡散層側よりも高い撥水性を有していてもよい。一本の上記固体電解質膜側繊維状物質および／またはガス拡散層側繊維状物質における表面の撥水性を場所により異なるものとし、その固体電解質膜側の撥水性を最も高くすることにより、固体電解質膜近傍で発生した生成水をガス拡散層側へ効率よく排水することができるため、フラッディングを防止することができる。
【００１１】
さらに、本発明においては、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方の表面が、領域により撥水性が異なっていてもよい。上記固体電解質膜側繊維状物質および／またはガス拡散層側繊維状物質の表面の撥水性を領域により異なるものとし、撥水性の領域と、上記撥水性の領域よりも親水性の高い領域とを設けることにより、上記撥水性の領域において発生した生成水を上記親水性の高い領域へと移動させ、さらにガス拡散層内へと排水することができるため、フラッディングを防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、高い圧力や熱を伴うことなく構成部材間の接合を行うことができ、かつ、良好な発電特性を示す燃料電池を得ることができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の燃料電池は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側に配置されたガス拡散層とを少なくとも備えた燃料電池において、繊維状の固体電解質膜側繊維状物質が、上記固体電解質膜の表面から上記表面に対して略垂直方向に配置され、繊維状のガス拡散層側繊維状物質が、上記ガス拡散層の一方の表面から上記表面に対して略垂直方向に配置され、上記固体電解質膜および上記ガス拡散層は上記固体電解質膜側繊維状物質と上記ガス拡散層側繊維状物質とが接触するように配置されており、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部は導電性を有し、かつ、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部には触媒が担持されており、さらに、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方が、表面に凹凸を有することを特徴とするものである。
以下、このような本発明の燃料電池について、図を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本発明の燃料電池の構成の一例を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明の燃料電池に用いられる固体電解質膜１の表面上には繊維状の固体電解質膜側繊維状物質２が配置されており、ガス拡散層３の一方の表面上には繊維状のガス拡散層側繊維状物質４が配置されている。上記固体電解質膜１とガス拡散層３とは、上記固体電解質膜側繊維状物質２とガス拡散層側繊維状物質４とが接触するように配置される。上記固体電解質膜側繊維状物質２および上記ガス拡散層側繊維状物質４の少なくとも一部は導電性を有し、かつ、上記固体電解質膜側繊維状物質および上記ガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方には触媒が担持されている。また、上記ガス拡散層３の上記固体電解質膜１側の表面には、撥水層５が形成されている。さらに、上記ガス拡散層３の外側にはセパレータ６が配置されている。
【００１５】
また、図２は、図１に例示した本発明の燃料電池に用いられる固体電解質膜１とガス拡散層３との、接合前の状態の一例を示す概略断面図である。図２に示すように、上記固体電解質膜１の表面上には、固体電解質膜側繊維状物質２が上記固体電解質膜１の表面に対して略垂直方向に配置されている。また、上記ガス拡散層３の固体電解質膜１側の表面上には、繊維状のガス拡散層側繊維状物質４が上記ガス拡散層３の表面に対して略垂直方向に配置されている。なお、上記図１および図２においては、上記固体電解質膜側繊維状物質２および上記ガス拡散層側繊維状物質４の少なくとも一方が、図３(ａ)または図３(ｂ)に例示するような、表面に凹凸を有するものである。
【００１６】
上記図１および図２に例示するように、本発明に用いられる固体電解質膜には上記固体電解質膜側繊維状物質が、ガス拡散層には上記ガス拡散層側繊維状物質がそれぞれ配置されている。このような固体電解質膜およびガス拡散層を用いることにより、本発明の燃料電池は様々な利点を有する。
【００１７】
例えば、上記固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部を導電性を有するものとし、上記固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部に触媒を担持して用いることにより、これらの固体電解質膜側繊維状物質および／またはガス拡散層側繊維状物質は従来の燃料電池における触媒電極層と同様の機能を発揮させることができる。従来の触媒電極層においては、反応ガス、電子、生成水などの移動を円滑に行うことが困難であった。そのため、触媒電極層内に配置された触媒まで反応ガスが到達することが困難であり触媒が有効に利用できない、集電効率が低い、フラッディングが発生しやすい等の不具合があった。しかしながら、本発明においては、触媒電極層に相当する領域には上記固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質が一定の方向に配向されており、反応ガスや生成水が拡散可能な空間を確保することができ、反応ガスおよび生成水の移動をより円滑に行うことができる。そのため、ガス拡散性が向上し、反応ガスを触媒へより確実に供給できるとともに、フラッディングを防止することができる。
【００１８】
また、本発明においては、固体電解質膜側繊維状物質上で発生した電子を、１本または２本の固体電解質膜側繊維状物質および／またはガス拡散層側繊維状物質を介してガス拡散層から集電することができる。従来の触媒電極層においては、電子が発生した箇所からガス拡散層まで移動するためには多数の導電性物質間を複数回移動することが必要であったが、本発明においては、このような多数回の導電性物質間の移動が必要ないため集電の際の電気抵抗を抑制することができ、集電効率を向上させることができる。
【００１９】
本発明においては、上記固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質とを互いに接触させることにより固体電解質膜とガス拡散層とを接合する。このように多数の繊維状物質を互いに接触させた場合、単に２つの層の平滑な表面同士を接触させる場合と比べて大幅に接触面積を増加することができるため、高い圧力や熱を接合に伴うことなく構造部材間を接合することができる。さらに、本発明においては固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方の表面に凹凸を設け、表面が平滑な繊維状物質同士を接触させる場合よりも接触面積を増加しているため、接合性を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明においては、上記固体電解質膜側繊維状物質が配置された固体電解質膜と、上記ガス拡散層側繊維状物質が配置されたガス拡散層とを接合することにより、固体電解質膜と、従来の触媒電極層に相当する機能を有する領域と、ガス拡散層とを有する膜電極複合体を形成することができる。従来の膜電極複合体においては、固体電解質膜の表面と触媒電極層の表面とが接合され、さらに、その触媒電極層の表面とガス拡散層の表面とが接合されていた。そのため、従来の膜電極複合体では、固体電解質膜の両側について、固体電解質膜と触媒電極層との接合工程および触媒電極層とガス拡散層との接合工程が必要であったが、本発明においては固体電解質膜の両側についてそれぞれ１回ずつの接合工程を行うことにより膜電極複合体を製造することができるため、製造工程の簡略化および低コスト化が実現できる。
以下、このような本発明の燃料電池を構成する各構成部材について、それぞれ分けて説明する。
【００２１】
１．固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質
本発明に用いられる固体電解質膜の表面には、繊維状の固体電解質膜側繊維状物質が配置されている。上記固体電解質膜側繊維状物質は、固体電解質膜が他の燃料電池構成部材と接触する２つの面のうち、一方の面のみに配置されていても、両面に配置されていてもよい。また、ガス拡散層の固体電解質膜側の表面には、繊維状のガス拡散層側繊維状物質が配置されている。本発明においては、上記固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質とを互いに接触させることにより、上記固体電解質膜とガス拡散層とが接合される。
以下、上記固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層繊維状物質について詳細に説明する。なお、上記固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質を総称して単に「繊維状物質」とすることがある。
【００２２】
上記繊維状物質は、繊維状の形状を有するものであれば特に限定されるものではない。ここで、繊維状の形状とは、微細な糸状のものであればよく、中心部が空洞である中空のものでも、中実なものでもよい。上記繊維状物質の製造の容易性や、繊維状物質が配置された固体電解質膜およびガス拡散層を接合する際の容易性などの観点から、繊維状物質は直線的な形状であることが好ましい。
【００２３】
上記固体電解質膜側繊維状物質は、その一端が固体電解質膜の表面上に固定されており、かつ、固体電解質膜の表面に対して略垂直方向に配置されている。同様に、ガス拡散層側繊維状物質は、その一端がガス拡散層の固体電解質膜側の表面上に固定されており、かつ、ガス拡散層の表面に対して略垂直方向に配置されている。中でも、上記固体電解質膜側繊維状物質は固体電解質膜の表面に対して垂直に、上記ガス拡散層側繊維状物質はガス拡散層の表面に対して垂直に配置されることが好ましい。このように繊維状物質を配置することにより、繊維状物質の表面上で発電反応により発生した電子を、より短い距離でガス拡散層まで移動させることができるからである。また、繊維状物質を上述したように配置することにより、繊維状物質が配置された固体電解質膜およびガス拡散層を接合する際に接合角度の微調整などの必要がなくなり、接合作業を容易に行うことができる。なお、本発明でいう「略垂直方向」とは、固体電解質膜表面に対して固体電解質膜側繊維状物質がなす角度およびガス拡散層表面に対してガス拡散層側繊維状物質がなす角度が９０°±４５°であるものとし、中でも９０°±３０°であることが好ましい。
【００２４】
固体電解質膜の表面への固体電解質膜側繊維状物質の固定のされ方、および、ガス拡散層の表面上へのガス拡散層側繊維状物質の固定のされ方は特に限定されるものではなく、固体電解質膜側繊維状物質の一端の一部が固体電解質膜と、ガス拡散層側繊維状物質の一端がガス拡散層と接触していればよい。中でも、繊維状物質と固体電解質膜またはガス拡散層との間のイオン伝導性、導電性、および物理的な接合性の観点から、固体電解質膜側繊維状物質の一端の全てにおいて固体電解質膜と、ガス拡散層側繊維状物質の一端の全てにおいてガス拡散層と接触していることが好ましい。特に、固体電解質膜側繊維状物質の一部が固体電解質膜中に侵入していることが好ましく、ガス拡散層側繊維状物質の一部がガス拡散層中に侵入していることが好ましい。
【００２５】
上述したような、固体電解質膜またはガス拡散層の表面上に配置された繊維状物質は、その表面に触媒を担持して用い、反応ガスおよびイオンを供給することにより該繊維状物質上で発電反応を進行させることができる。すなわち、上記繊維状物質は従来の燃料電池における触媒電極層に相当する機能を発揮する。従来の触媒電極層では、触媒が担持された導電性物質と、電解質と、反応ガスとの３相界面において発電反応が進行するが、本発明においては高価な電解質を触媒電極層に用いることなく上記繊維状物質に触媒を担持することのみで、発電反応を進行させることができるため、材料コストを削減することができる。
【００２６】
電解質を用いることなく、触媒が担持された物質に反応ガスおよびイオンを供給することにより進行する発電反応の反応機構は明らかではないが、例えば、一方の端部が固体電解質膜の表面上に固定された固体電解質膜側繊維状物質を触媒である白金を担持して用い、そこに反応ガスを供給した場合の反応機構は以下のように推測される。すなわち、白金は親水性であるため、雰囲気や供給された反応ガス中に含まれる水分が白金に付着して上記白金の表面は水で皮膜され、プロトン等のイオンは上記水の皮膜内を移動することにより白金が担持された固体電解質膜側繊維状物質の表面上を自由に移動することができると考えられる。そのため、固体電解質膜から供給され、上記固体電解質膜側繊維状物質に担持された白金上を移動するイオンに反応ガスが供給されると発電反応が生じると考えられる。なお、このような構成による発電反応については、 2005DOE Hydrogen Program Review，Mark.K,Debe(3M Company),Project ID #FC3に詳細に記載されている。
【００２７】
本発明においては、上述したような従来の触媒電極層に相当する機能を発揮させるため、上記繊維状物質の少なくとも一部には触媒が担持されている。中でも、上記固体電解質膜側繊維状物質の固体電解質膜と隣接する領域に触媒が担持されていることが好ましい。上述したように、固体電解質膜から供給されるプロトン等のイオンは繊維状物質に担持された白金等の触媒を覆う水の膜内を移動すると考えられるため、イオンの供給源である固体電解質膜と繊維状物質とが接触している箇所から連続的に繊維状物質上に触媒を担持することにより、繊維状物質に担持された触媒に確実にイオンを供給することができるからである。また、触媒は上記繊維状物質の表面のより広い面積に担持されていることが好ましく、上記固体電解質膜側繊維状物質の表面全体、さらには上記ガス拡散層側繊維状物質の表面全体に触媒を担持することにより発電反応が進行する領域の面積を増加させることができ、単位面積当たりの出力密度を向上させることができる。
【００２８】
上記繊維状物質に担持される触媒は、発電反応に触媒として寄与するものであれば特に限定されるものではなく、通常の燃料電池の触媒として多用される白金や白金合金などを用いることができる。担持する触媒の粒径等は特に限定されるものではないが、上記繊維状物質の径よりも触媒の粒径が小さいことが好ましい。このような粒径の触媒を用いることにより、繊維状物質上に触媒を高密度に担持することができるからである。
【００２９】
また、上記触媒が担持された繊維状物質は、触媒により皮膜されたものであってもよい。上記繊維状物質の表面上に触媒を高い密度で担持、すなわち触媒により皮膜することにより繊維状物質の表面上のイオンの移動をより確実なものとできるからである。また、導電性を有さない有機材料等で上記繊維状物質を形成した場合でも、触媒で皮膜することによりイオン伝導性と同時に導電性も付与することができる。
【００３０】
また、本発明に用いられる上記繊維状物質の少なくとも一部は導電性を有するものであり、上記導電性を有する繊維状物質およびガス拡散層を介して発電反応により生じた電気を集電する。集電率を向上させるため、上記導電性を有する繊維状物質により上記固体電解質膜の表面と上記ガス拡散層の表面との間に電子の移動経路が形成されていることが好ましい。このような移動経路は、例えば、上記固体電解質膜側繊維状物質が上記ガス拡散層の表面と接触している、または上記ガス拡散層側繊維状物質が上記固体電解質膜の表面と接触している場合は、上記固体電解質膜およびガス拡散層の両方に接触している繊維状物質に導電性を有する繊維状物質を用いることにより形成することができる。また、上記固体電解質膜側繊維状物質がガス拡散層と接触しておらず、かつ上記ガス拡散層側繊維状物質が固体電解質膜と接触していない場合は、上記固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質に導電性を有する繊維状物質を用いることによっても上記電子の移動経路を形成することができる。上記の中でも、固体電解質膜側繊維状物質が導電性を有することが好ましい。イオンが豊富に供給され、発電反応が進行しやすい固体電解質膜側繊維状物質が導電性を有していることにより、発電反応により発生した電気をより効率よく集電することができるからである。
【００３１】
上記導電性を有する繊維状物質は、導電性を有する材料を繊維状の形状に形成することにより得ることができる。また、導電性を有しない材料を用いて繊維状物質を形成する場合は、導電性を有しない材料から形成された繊維状のものを、導電性を有する物質で皮膜することよっても上記導電性を有する繊維状物質を得ることができる。上述したように、導電性を有しない材料から形成された繊維状のものを、発電反応に用いる触媒で皮膜することによっても導電性を付与することができる。
【００３２】
このような繊維状物質を形成する材料は、繊維状の形状に形成できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボン繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどのカーボン材料、金属繊維、ケイ素などの無機材料、または結晶性有機物などの有機材料等を用いることができる。
【００３３】
本発明において、上記固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一部は、その表面に凹凸を有している。繊維状物質の表面に凹凸がある場合、上記凹凸がない場合と比較して、上記固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質との接合性を向上させることができる。このような表面の凹凸は、固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質との両方が有していてもよいし、固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質とのどちらか一方のみが有していてもよい。
【００３４】
上記表面に凹凸を有する繊維状物質の形状は、図３(ａ)および図３（b）に例示するように、複数の楔形を同一方向に連ねた形状であり、かつ、上記楔形の先端は、上記固体電解質膜側繊維状物質のガス拡散層側または上記ガス拡散層側繊維状物質の固体電解質膜に向いていることが好ましい。すなわち、上記固体電解質膜側繊維状物質２の場合、上記楔形の先端は固体電解質膜１に固定されていない方の端部側を向いており、上記ガス拡散層側繊維状物質５の場合、上記楔形の先端はガス拡散層４に固定されていない方の端部側を向いていることが好ましい。このような形状および向きに繊維状物質を配置することによりアンカー効果を得ることができるため、上記固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質との接合性をさらに向上させることができる。このような形状の繊維状物質は、上記繊維状物質を形成する材料を上述したような形状に成形することにより得ることができる。また、カップスタック型のカーボンナノチューブ(例えば、株式会社ＧＳＩクレオス製のカルベール(登録商標))などのように、それ自身が楔形の形状を有する材料を用いることもできる。
【００３５】
このような繊維状物質の大きさ等は特に限定されるものではなく、共に用いられる固体電解質膜やガス拡散層の大きさ等により適宜調整して用いることができる。一般的には、直径が１０〜２００ｎｍの範囲内、好ましくは５０〜１５０ｎｍの範囲内の繊維状物質が好適に用いられる。また、上記繊維状物質の長さも特に限定されるものではないが、一般的には長さが１〜１００μｍの範囲内、好ましくは５〜２０μｍの範囲内の繊維状物質が好適に用いられる。
【００３６】
本発明においては、上記固体電解質膜とガス拡散層とが接合された状態において、上記固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質とが、それらの長さ方向の少なくとも一部の領域において互いに接触していればよい。中でも、それぞれの繊維状物質の長さの５０％以上、中でも７５％以上において互いに接触していることが好ましく、特にそれぞれの繊維状物質の長さのほぼ全域において互いに接触していることが好ましい。上記固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質とが接触する面積を増加することにより上記繊維状物質が配置された固体電解質膜とガス拡散層との接合性を向上することができるからである。
【００３７】
また、固体電解質膜およびガス拡散層の表面における上記繊維状物質の密度は、繊維状物質の径などにより大きく異なるものではあるが、通常は固体電解質膜およびガス拡散層の表面の面積１ｍｍ２内に５００〜５０００本の範囲内、中でも１０００〜２０００本の範囲内の密度において用いられることが好ましい。上記繊維状物質が固体電解質膜およびガス拡散層に配置される密度が上記範囲に満たないと、上記固体電解質膜とガス拡散層とを接合した際に所望の接合性が得られない可能性がある。一方、密度が上記範囲を超えると繊維状物質同士が接触する際の摩擦が大きくなりすぎ、繊維状物質が破損したり、繊維状物質上に担持された触媒が剥がれ落ちたりする等の不具合が発生する場合がある。
【００３８】
本発明において、上記繊維状物質の表面は、ガス拡散層側よりも固体電解質膜側の方が高い撥水性を有するものであってもよい。例えば、固体電解質膜側繊維状物質を図４(ａ)に例示するように、固体電解質膜側繊維状物質２の固体電解質膜１と接触している方の端部付近の領域が最も撥水性が高い撥水性領域１１、上記固体電解質膜１と接触していない方の端部付近の領域が最も親水性が高い親水性領域１２、上記２つの領域の間に位置する領域が、上記２つの領域の中間の程度の撥水性(親水性)を有する中間領域１３となるように上記固体電解質膜側繊維状物質２を形成してもよい。また、ガス拡散層側繊維状物質を図４（b）に例示するように、ガス拡散層側繊維状物質４のガス拡散層３と接触している方の端部付近の領域が最も親水性が高い親水性領域１２、上記ガス拡散層３と接触していない方の端部付近の領域が最も撥水性が高い撥水性領域１１、上記２つの領域の間に位置する領域が、上記２つの領域の中間の程度の撥水性を有する中間領域１３となるように上記ガス拡散層側繊維状物質４を形成してもよい。上記図４の例では、撥水性の異なる３つの領域が繊維状物質の表面上に形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、繊維状物質の表面上の少なくとも２箇所において撥水性が異なっていればよい。
【００３９】
上述したように、一本の繊維状物質において固体電解質膜側の領域の撥水性を高くし、反対側の領域をより親水性にすることにより、親水性の違いから、発電反応の際に発生した生成水を固体電解質膜側からガス拡散層側へと排水することができ、フラッディングを防止することができる。このような濡れ性の制御は、はすの葉構造や擦りガラスのように、表面の平滑性の制御、すなわち表面の微細な凹凸を形成すること等により行うことができる。また、繊維状物質の表面の親水性が所望される領域にはチタニアコーティングを施し、撥水性が所望される領域にはポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂コーティングを施すなど、表面処理を施すことによっても濡れ性の制御を行うことができる。
【００４０】
また、本発明においては、繊維状物質の表面の撥水性が、固体電解質膜またはガス拡散層の領域により異なっていてもよい。例えば、固体電解質膜またはガス拡散層上に表面が撥水性の繊維状物質と、表面が親水性の繊維状物質とを交互に配置してもよいし、複数本の撥水性の繊維状物質と、複数本の親水性の繊維状物質とを交互に配置してもよい。また、固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質が共に一つの撥水性領域または親水性領域を形成しても、固体電解質膜側繊維状物質またはガス拡散層側繊維状物質のどちらか一方のみで一つの撥水性領域または親水性領域を形成してもよい。すなわち、繊維状物質が配置された固体電解質膜とガス拡散層とが接合された状態において、隣接する複数本の固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質が一つの撥水性領域を形成し、該撥水性領域に隣接する領域の複数本の固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質が一つの親水性領域を形成してもよい。さらに、全ての固体電解質膜側繊維状物質が撥水性であり、かつ、全てのガス拡散層側繊維状物質が親水性であってもよく、またはその逆でもよい。加えて、上記ガス拡散層側繊維状物質のみに撥水性領域および親水性領域が形成されており、上記固体電解質膜側繊維状物質には撥水化または親水化処理が施されてなくてもよく、またはその逆でもよい。
【００４１】
上述したように、本発明において固体電解質膜と、ガス拡散層とは、上記固体電解質膜側繊維状物質と上記ガス拡散層側繊維状物質とが交互に配置され、互いに接触することにより接合される。上記繊維状物質は少なくとも一部が導電性を有し、少なくとも一部に触媒に担持されており、固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質の少なくとも一方の表面に凹凸を有していればよい。また、上述したような繊維状物質の表面の凹凸形状（楔形形状など）や親水性および撥水性領域などに関しても、全ての、または一部の繊維状物質に設けることができ、固体電解質膜側繊維状物質と、ガス拡散層側繊維状物質とは、上述したような種々の要素の組み合わせにより、様々な態様をとり得る。
【００４２】
例えば、固体電解質膜側繊維状物質とガス拡散層側繊維状物質との両方が共に触媒が担持されており、導電性を有し、表面に凹凸を有し、かつ、表面の撥水性が固体電解質膜側とガス拡散層側とで異なっているものでもよい。また、上記固体電解質膜側繊維状物質のみが触媒が担持され、かつ導電性を有しているものであり、上記ガス拡散層側繊維状物質は表面に凹凸を有し、かつ表面の撥水性が固体電解質膜側とガス拡散層側とで異なっているものでもよい。このように、上記繊維状物質の態様は様々な組み合わせがあり、その態様は上記に限定されるものではない。
【００４３】
２．固体電解質膜
本発明に用いられる固体電解質膜には、その表面に上述したような固体電解質膜側繊維状物質が配置されている。上記固体電解質膜の両側に繊維状物質が配置されたガス拡散層が用いられる場合は、固体電解質膜の両面に固体電解質膜側繊維状物質が配置されたものを用い、一方にのみに繊維状物質が配置されたガス拡散層が配置される場合は、そのガス拡散層が配置される側の表面のみに固体電解質膜側繊維状物質が配置されたものを用いる。
【００４４】
上記固体電解質膜側繊維状物質が配置される固体電解質膜としては、プロトン伝導性に優れ、かつ絶縁性を有する材料からなるものであれば特に限定されるものではない。このような固体電解質膜を形成する電解質材料としては、ナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）などに代表されるようなフッ素系樹脂、アミド系樹脂に代表されるような炭化水素系樹脂等有機系のもの、または、ケイ素酸化物を主成分とするものなどの無機系のもの等を挙げることができる。また、固体電解質膜の厚さ等も特に限定されるものではなく、通常の燃料電池に用いられる固体電解質膜の厚さと同様の厚さのものを用いることができる。
【００４５】
本発明において、固体電解質膜側繊維状物質を固体電解質膜の表面に配置する方法は、上述したような構成を有するものを得ることができるものであれば特に限定されるものではなく、公知の方法により製造することができる。例えば、固体電解質膜側繊維状物質にカーボンナノチューブを用いる場合は、以下の方法により固体電解質膜側繊維状物質を固体電解質膜に配置することができる。ここで、カーボンナノチューブは、アーク放電法やレーザー蒸着法、カーボンナノチューブを生成するための触媒金属を用いてこれに炭化水素系ガスや水素系ガスを供給する等して合成するＣＶＤ法、高温高圧下において一酸化炭素の不均化学反応を誘発させて合成するＨｉＰｃｏ法(P. Nikolaev, M. J. Bronikowski, R. K. Bradley, F. Rohmund, D. T. Colbert, K. A. Smith, R. E. Smalley, Chem. Phys. Lett. 313 (1999) 91-97.参照)などの公知の合成法を用いて生成することができる。
【００４６】
まず、所望の厚さ(例えば４ｎｍ)のカーボンナノチューブ生成触媒金属(例えばＦｅ)が担持された触媒担持体を真空中で所定の温度(例えば４００℃)以上に加熱し、炭化水素系や水素系の原料ガスを供給して触媒担持体上にカーボンナノチューブを形成する。原料ガスを供給する際の流量、反応温度、滞在温度、または触媒金属の粒径を調整する、または生成されたカーボンナノチューブをさらに１５００〜１８５０℃の温度領域において加熱することなどによりカーボンナノチューブの径を制御することができる。例えば、原料ガスをイオン銃などを用いてイオン化するなど、原料ガスの性状を生成しようとするカーボンナノチューブの層構成、径、長さなどの形状や配向性に合わせて制御することも有用である。触媒担持体上に形成されたカーボンナノチューブに湿式法または電子ビーム蒸着法、スパッタリング法などの乾式法により白金等の燃料電池触媒を担持し、さらに１１０〜１３０℃程度でのホットプレスなどにより固体電解質膜に転写することにより固体電解質膜側繊維状物質を固体電解質膜に配置することができる。
【００４７】
また、導電性を有しない結晶性有機物などを固体電解質膜側繊維状物質の材料として用いる場合は、材料を表面に凹凸を有する等所望の形状に形成し、その表面をスパッタリングなどにより皮膜して固体電解質膜側繊維状物質を形成し、その固体電解質膜側繊維状物質を固体電解質膜にホットプレス法により接合してもよい。
【００４８】
３．ガス拡散層
本発明においては、固体電解質膜側の表面に上述したようなガス拡散層側繊維状物質が配置されたガス拡散層が用いられる。このようなガス拡散層側繊維状物質が配置されるガス拡散層は、ガスの透過性を有し、かつ発生した電気を集電できるものであれば特に限定されるものではなく、従来の燃料電池に用いられるものを使用することができる。一般的には、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられる。ガス拡散層の厚さは、燃料電池におけるガス拡散層としての機能を果たせるものであれば特に限定されるものではなく、一般的な厚さのものを用いることができる。
【００４９】
本発明に用いられるガス拡散層は、その固体電解質膜側の表面に撥水層が形成されていることが好ましい。ガス拡散層の表面に撥水層を設けることによりガス拡散層内のフラッディングを防止することができ、ガス拡散層内のガス拡散性を向上させることができるからである。このような撥水層はガス拡散層の表面に、ポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂等の撥水性の材料とカーボンブラックとを混合した撥水層形成用塗工液（例えばポリテトラフルオロエチレン：カーボンブラック＝４：６）を塗布し、乾燥させることなどにより形成することができる。
【００５０】
本発明に用いられるガス拡散層へのガス拡散層側繊維状物質の配置方法は、上述したような構成を有するものを得ることができるものであれば特に限定されるものではなく、公知の方法により製造することができる。例えば、上述したようなガス拡散層側繊維状物質をガス拡散層に直接形成する等の方法によりガス拡散層の表面に接合することができる。
【００５１】
４．セパレータ
本発明においては、上記ガス拡散層のさらに外側にセパレータが配置されていることが好ましい。上記セパレータにガス流路を形成することにより、燃料電池への反応ガスの供給および生成水の排出を効率的に行うことができる。また、導電性材料から形成することにより、上記セパレータを集電体としても用いて効率的に集電を行うこともできる。
【００５２】
本発明においてセパレータは、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられているものを用いることができる。用いることができるセパレータの例としては、ガス拡散層側の面にガス流路が形成されており、反対側の面には、燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス供給装置が接続されているものを挙げることができ、さらには冷却水の流路が形成されているものをも含むものである。このようなセパレータを形成する材料としては、カーボンや金属を用いるのが一般的であり、それらを従来のものと同様な厚さに形成して用いることができる。なお、共に用いられるガス拡散層内にガス流路が形成されている場合は、セパレータにはガス流路が形成されている必要はなく、表面が平滑なセパレータを用いることができる。
【００５３】
５．その他
本発明において上記固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質の形状は、上述したような直線的な形状に限定されるものではなく、２つの繊維形状の物質を接触させた際に接合性を発揮するような形状であればよい。例えば、マジックテープ(登録商標)のような、一方がループのような形状であり、他方が釣り針状のフックのような形状のものも用いることができる。
【００５４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００５５】
例えば、上記記載においては、主に固体高分子電解質型の燃料電池について説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、固体酸化物型、りん酸型、溶融炭酸塩型等の水素が燃料として用いられる全てのタイプの燃料電池に用いることができる。
【実施例】
【００５６】
以下に実施例および比較例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
【００５７】
[実施例１]
固体電解質膜としてナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）、ガス拡散層としてカーボンペーパー、繊維状物質としてカーボンファイバー（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工）を準備した。まず、繊維状物質にレーザを照射し、傷を付けて、上記繊維状物質に凹凸を形成した。この際、レーザの照射角を一定とすることにより、同方向に凹凸を形成することができた。次に、この繊維状物質にＰｔ触媒を蒸着させた後、上記ナフィオンに上記Ｐｔ触媒を蒸着させた繊維状物質をスプレーにより吹き付けた。この際、繊維状物質がナフィオンに突きささる程度の圧力となるようにノズルを絞って行った。次いで、カーボンペーパーに上記と同様の繊維状物質を上記と同様にスプレーにより吹き付けた。
次に、上記繊維状物質が配置されたナフィオンおよびカーボンペーパーを接触させて接合し、燃料電池を作製した。
【００５８】
[実施例２]
フィルム上に実施例１で用いた繊維状物質をスプレーにより吹き付けた。この際、フィルムに繊維状物質が突きささる程度の圧力となるようにノズルを絞って行った。このフィルムから繊維状物質を実施例１で用いたナフィオンに転写した。次いで、実施例１で用いたカーボンペーパーに上記と同様にしてフィルムから上記繊維状物質を転写した。この後、繊維状物質にＰｔ触媒を蒸着させ、上記繊維状物質を強酸でエッチングすることにより、上記繊維状物質に凹凸を形成した。
次に、上記繊維状物質が配置されたナフィオンおよびカーボンペーパーを接触させて接合し、燃料電池を作製した。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の燃料電池の構成の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明に用いられる固体電解質膜およびガス拡散層の接合前の状態の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明に用いられる固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質の形状の一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明に用いられる固体電解質膜側繊維状物質およびガス拡散層側繊維状物質の表面の状態の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  …  固体電解質膜
２  …  固体電解質膜側繊維状物質
３  …  ガス拡散層
４  …  ガス拡散層側繊維状物質
【図１】
2007157582.tif 000003
【図２】
2007157582.tif 000004
【図３】
2007157582.tif 000005
【図４】
2007157582.tif 000006