(57)【要約】【課題】燃料電池において電極を構成する繊維部材から電解質膜を保護する技術を提供する。【解決手段】カーボン繊維織物１５は、燃料電池１００において、反応ガスを拡散するガス拡散層１２ｇ，１３ｇを構成する。カーボン繊維織物１５は、カーボン繊維１と、カーボン繊維１同士を結着するバインダ樹脂２とを備える。バインダ樹脂２は、カーボン繊維１の直径よりも小さい直径を有する貫通孔２ｐを有する多孔体によって形成されている。また、バインダ樹脂２は、カーボン繊維１から二方向に張り出した張出部位を有する。バインダ樹脂２は、二方向の張出部位のそれぞれの下側に、カーボン繊維織物１５の表面に向かって延伸するカーボン繊維１の先端が配置されている状態で、カーボン繊維織物１５の表面の全体にわたって分散配置されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電解質膜の面上に配置される電極において、反応ガスを拡散するガス拡散層を構成する繊維部材であって、
導電性繊維と、
前記導電性繊維同士を結着するバインダ樹脂と、
を備え、
前記バインダ樹脂は、前記導電性繊維の直径よりも小さい直径の貫通孔を有する多孔体によって形成されており、
前記バインダ樹脂は、前記導電性繊維から第１と第２の方向に張り出した第１と第２の張出部位を有し、
前記バインダ樹脂は、前記繊維部材の表面に向かって延伸する前記導電性繊維の先端が、前記第１と第２の張出部位のそれぞれの下側に配置されている状態で、前記繊維部材の表面の全体にわたって分散配置されている、繊維部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備える。電極は、燃料電池反応を促進するための触媒電極層と、反応ガスを電極全体に行き渡らせるためのガス拡散層とが積層された積層構造を有する（下記特許文献１等）。ここで、ガス拡散層を構成する部材としては、カーボン繊維織物などの導電性を有する繊維部材が用いられる。繊維部材には、その表面に向かって突出する毛羽が存在する。そのため、燃料電池では、膜電極接合体に対して付与される積層方向の押圧力が経時的に変化したときに、その毛羽が、触媒電極層を貫通して電解質膜にまで到達し、電解質膜に微小穴（クラック）を生じさせてしまう場合がある。電解質膜に微小穴が生じると、電極間における電気的短絡や、反応ガスの漏洩（いわゆる、クロスリーク）が発生し、燃料電池の性能低下の原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４６３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、燃料電池において、電極を構成する繊維部材から電解質膜を保護す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】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
燃料電池の電解質膜の面上に配置される電極において、反応ガスを拡散するガス拡散層を構成する繊維部材であって、導電性繊維と、前記導電性繊維同士を結着するバインダ樹脂と、を備え、前記バインダ樹脂は、前記導電性繊維の直径よりも小さい直径の貫通孔を有する多孔体によって形成されており、前記バインダ樹脂は、前記導電性繊維から第１と第２の方向に張り出した第１と第２の張出部位を有し、前記バインダ樹脂は、前記繊維部材の表面に向かって延伸する前記導電性繊維の先端が、前記第１と第２の張出部位のそれぞれの下側に配置されている状態で、前記繊維部材の表面の全体にわたって分散配置されている、繊維部材。
この繊維部材であれば、バインダ樹脂が有する第１と第２の張出部位によって、導電性繊維が表面から突出してしまうことが抑制される。従って、この繊維部材を、燃料電池のガス拡散層に用いれば、電解質膜が、導電性繊維の突き刺しにより損傷してしまうことを抑制できる。また、この導電性繊維であれば、バインダ樹脂が多孔質に形成されているため、ガス拡散層として用いたときに、電極における反応ガスの透過性・拡散性や、排水性を向上させることができる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池においてガス拡散層を構成する繊維部材、その繊維部材を備えた膜電極接合体、その膜電極接合体を備えた燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】ガス拡散層を構成する繊維織物の構造を模式的に示す概略図。
【図３】カーボン繊維織物におけるバインダ樹脂の詳細な構成を説明するための模式図。
【図４】燃料電池における触媒電極層とガス拡散層との境界の様子を示す模式図。
【図５】バインダ樹脂による電解質膜の保護を説明するための模式図。
【図６】バインダ樹脂のガス透過性と排水性とを説明するための模式図。
【図７】バインダ樹脂による導電パスの形成を説明するための模式図。
【図８】比較例としてのカーボン繊維織物を説明するための模式図。
【図９】カーボン繊維織物の製造工程を説明するための説明図。
【図１０】他の構成例としてのカーボン繊維織物の構造を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
A．実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして、水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１１０は、膜電極接合体１０と、２枚のセパレータ２０，３０とを備える。
【００１０】
膜電極接合体１０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１１と、電解質膜１１の両面に配置された第１と第２の電極層１２，１３（以下、それぞれ「アノード１２」、「カソード１３」とも呼ぶ）とを備える。電解質膜１１は、イオン伝導性を有する固体高分子の薄膜によって構成することができ、例えば、フッ素樹脂系のイオン交換膜によって構成することができる。
【００１１】
第１と第２の電極層１２，１３はそれぞれ、触媒電極層１２ｃ，１３ｃと、ガス拡散層１２ｇ，１３ｇとが積層された多層構造を有する。触媒電極層１２ｃ，１３ｃは、電解質膜１１の表面に配置され、燃料電池反応を促進するための触媒が担持された層であり、ガス透過性およびガス拡散性を有する。触媒電極層１２ｃ，１３ｃは、電解質膜１１に含まれるアイオノマーと類似又は同じアイオノマーと、触媒を担持させた導電性粒子（例えば、白金担持カーボン）とを、溶媒に分散させた触媒インクを塗布・乾燥させることによって形成することができる。
【００１２】
ガス拡散層１２ｇ，１３ｇは、各触媒電極層１２ｃ，１３ｃに積層された層であり、流入する反応ガスを電極全体に行き渡らせることができる。ガス拡散層１２ｇ，１３ｇは、導電性を有する繊維織物などの繊維部材を、ホットプレスなどにより、触媒電極層１２ｃ，１３ｃの上に接合することよって形成できる。ガス拡散層１２ｇ，１３ｇを構成する繊維部材の詳細については後述する。なお、ガス拡散層１２ｇ，１３ｇと、触媒電極層１２ｃ，１３ｃとの間には、ＭＰＬ（Micro-porous layer）層などの撥水層が設けられるものとしても良い。
【００１３】
第１と第２のセパレータ２０，３０は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。第１のセパレータ２０は、膜電極接合体１０のアノード１２側に配置され、第２のセパレータ３０は、カソード１３側に配置される。各セパレータ２０，３０の膜電極接合体１０と対向する面には、水素または酸素のための流路溝２１，３１が発電領域全体にわたって形成されている。なお、流路溝２１，３１は省略されるものとしても良い。
【００１４】
ここで、図示および説明は省略するが、燃料電池１００には、各単セル１１０を締結するために、各単セル１１０に対して積層方向の締結力を付与する締結部材が設けられている。また、燃料電池１００には、各単セル１１０の間に冷媒のための流路が形成されている。さらに、各単セル１１０の膜電極接合体１０の外周には、セパレータ２０，３０の短絡を防止するとともに、反応ガスの漏洩を防止するシール部や、各単セル１１０の反応ガスを供給するためのマニホールドを構成する貫通孔が設けられている。
【００１５】
図２は、ガス拡散層１２ｇ，１３ｇを構成する繊維部材である繊維織物の構造を模式的に示す概略図である。なお、図２には、互いに直交する３次元矢印ｘ，ｙ，ｚを図示してある。矢印ｚは、ガス拡散層１２ｇ，１３ｇの厚み方向に沿った方向であって、触媒電極層１２ｃ，１３ｃと対向する面（電解質膜１１側の面）の方向を示している。矢印ｘ，ｙは、ガス拡散層１２ｇ，１３ｇの外表面に沿った、互いに直交する任意の二方向を示している。
【００１６】
本実施例におけるガス拡散層１２ｇ，１３ｇは、カーボン繊維織物（カーボンクロス）１５によって構成される。より具体的には、ガス拡散層１２ｇ，１３ｇのカーボン繊維織物１５は、３次元的に交差し合うように分散されたカーボン繊維１がバインダ樹脂２によって結着された構造を有している。
【００１７】
ここで、本実施例のカーボン繊維織物１５は、カーボン繊維１の配向方向が、ほぼ直角となるように調整されている。そのため、カーボン繊維１は、主に、カーボン繊維織物１５の面（矢印ｘ，ｙで規定できる平面）に沿った方向と、その厚み方向に沿った方向（矢印ｙに沿った方向）を向くように配列される。バインダ樹脂２は、カーボン繊維１同士が互いに交差する箇所に付着して、それら交差するカーボン繊維１同士を結着する。
【００１８】
図３（Ａ），（Ｂ）は、本実施例のカーボン繊維織物１５におけるバインダ樹脂２の詳細な構成を説明するための模式図である。図３（Ａ）は、２本のカーボン繊維１同士が交差している箇所を、それら２本のカーボン繊維１によって規定される平面に対して垂直な方向に沿って見たときのバインダ樹脂２を示す模式図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断におけるカーボン繊維１およびバインダ樹脂２の概略断面を示す模式図である。
【００１９】
バインダ樹脂２は、バインダ樹脂２が付着する基体となるカーボン繊維１（以下、「基体繊維１ｂ」とも呼ぶ）同士が交差する箇所を中心として、それぞれの基体繊維１ｂの間で膜状に広がるように形成されている（図３（Ａ））。即ち、バインダ樹脂２は、その基体繊維１ｂを中心として、その左右方向に襞状に張り出した張出部位２ｅを有するように形成されている（図３（Ｂ））。
【００２０】
ここで、本実施例のバインダ樹脂２は、カーボン繊維織物１５において、互いに隣り合うように配置され、厚み方向に沿って延伸しているカーボン繊維１同士の間隔の平均値（以下、「繊維間隔Ｄ」とも呼ぶ）よりも幅広く張り出す部位を有するように形成されている。なお、この繊維間隔Ｄは、カーボン繊維織物１５の目の粗さを示すものであり、カーボン繊維織物１５の目付け（単位面積あたりの重量）によって規定することができる。
【００２１】
さらに、本実施例のバインダ樹脂２は、その厚み方向に貫通する複数の貫通孔２ｐが、全面にわたって形成されている。各貫通孔２ｐの直径ｒの平均値は、後述するカーボン繊維１の突出を抑制するために、各カーボン繊維１の直径Ｒの平均値よりも小さいことが好ましい。なお、以上のような構成のバインダ樹脂２を有するカーボン繊維織物１５の製造方法については後述する。
【００２２】
図４は、燃料電池１００における触媒電極層１２ｃ，１３ｃと、ガス拡散層１２ｇ，１３ｇとの境界の様子を示す模式図である。本実施例のガス拡散層１２ｇ，１３ｇを構成するカーボン繊維織物１５では、図３で説明したような膜状のバインダ樹脂２が、触媒電極層１２ｃ，１３ｃの表面と互いに面し合うように、カーボン繊維織物１５の表面全体にわたって配置されている。
【００２３】
なお、カーボン繊維織物１５に流入した反応ガスは、カーボン繊維織物１５の表面に配置されたバインダ樹脂２同士の間をすり抜けて触媒電極層１２ｃ，１３ｃに到達することができる。また、詳細は後述するが、反応ガスは、バインダ樹脂２の貫通孔２ｐを介した経路でも触媒電極層１２ｃ，１３ｃに到達することができる。
【００２４】
図５は、バインダ樹脂２による電解質膜１１の保護を説明するための模式図である。図５には、触媒電極層１２ｃ，１３ｃとの境界に配置されたバインダ樹脂２を、図３（Ｂ）と同様に図示してある。また、図５には、触媒電極層１２ｃ，１３ｃに積層された電解質膜１１を図示してある。
【００２５】
ここで、前記したとおり、燃料電池１００では、各単セル１１０は、締結部材によって、その積層方向に締結力が付与されている。また、各単セル１１０では、燃料電池１００の運転の際に、電解質膜１１が膨潤してその厚みが変動する。従って、各単セル１１０では、積層方向に沿った内部応力が生じやすい。
【００２６】
そのため、ガス拡散層１２ｇ，１３ｇを構成するカーボン繊維織物１５では、その表面に向かって延伸しているカーボン繊維１が、経時的にその延伸方向に沿って移動する傾向が強い。そうしたカーボン繊維１の経時的な移動が抑制されない場合には、そのカーボン繊維１が外部に突出して、触媒電極層１２ｃ、１３ｃおよび電解質膜１１に対して、毛羽として突き刺さり、電解質膜１１を損傷させてしまう可能性がある。
【００２７】
しかし、本実施例のカーボン繊維織物１５では、図４で説明したように、その表面において、バインダ樹脂２が触媒電極層１２ｃ，１３ｃの表面と面し合うように配置されている。また、バインダ樹脂２は、繊維間隔Ｄよりも広い幅を有するように幅広に形成されている。そのため、カーボン繊維織物１５の表面において、その表面に沿って配置されたバインダ樹脂２は、その基体繊維１ｂの両側に形成された張出部位２ｅの下側に存在する、触媒電極層１２ｃ，１３ｃの方向に延伸するカーボン繊維１の先端を押さえ込むことができる。
【００２８】
ところで、バインダ樹脂２は、その張出部位２ｅが、基体繊維１ｂを挟んだ両側の２つのカーボン繊維１の先端の上に配置されている場合には、以下のように動作することが可能である。バインダ樹脂２は、その張出部位２ｅの下側に存在する一方のカーボン繊維１が外側へ突出する方向に移動すると、基体繊維１ｂを支点として傾斜し、他方のカーボン繊維１の先端を押さえ込む。即ち、バインダ樹脂２は、シーソーのように揺動し、２本のカーボン繊維１の先端を交互に押さえ込むことができる。
【００２９】
このように、本実施例のカーボン繊維織物１５であれば、カーボン繊維織物１５の表層に配置されたバインダ樹脂２が、カーボン繊維１が毛羽として外部に突出することを抑制する抑制壁として機能する。また、基体繊維１ｂを支点として揺動することにより、カーボン繊維１をカーボン繊維織物１５の内部へと押し込む杭打ち機構のように動作する。従って、カーボン繊維１の突き刺しによる電解質膜１１の損傷・劣化が抑制される。
【００３０】
図６（Ａ），（Ｂ）は、バインダ樹脂２のガス透過性と、排水性とを説明するための模式図である。図６（Ａ），（Ｂ）には、触媒電極層１２ｃ，１３ｃとの境界に配置されたバインダ樹脂２を、図５と同様に図示してある。ここで、図３で説明したように、バインダ樹脂２には、その表面全体に複数の貫通孔２ｐが形成されている。従って、カーボン繊維織物１５に流入した反応ガスは、各貫通孔２ｐをすり抜けて、触媒電極層１２ｃ，１３ｃへ到達することが可能である（図６（Ａ））。また、触媒電極層１２ｃ，１３ｃとカーボン繊維織物１５の境界に水分が存在する場合でも、その水分を、各貫通孔２ｐを介して、カーボン繊維織物１５の内部へと誘導し、排出することができる。
【００３１】
図７は、バインダ樹脂２による導電パスの形成を説明するための模式図である。図７には、触媒電極層１２ｃ，１３ｃとの境界に配置されたバインダ樹脂２を、図５と同様に図示してある。また、図７には、電子（ｅ-）の移動経路を示す矢印を示してある。バインダ樹脂２は、後述するように、カーボン繊維織物１５の製造工程において炭化されているため、導電性を有している。従って、バインダ樹脂２がカーボン繊維１の突出を抑制する抑制壁として、カーボン繊維１と触媒電極層１２ｃ，１３ｃとの間に介在している場合であっても、カーボン繊維１と触媒電極層１２ｃ，１３ｃとの間の導電経路を確保することができる。
【００３２】
図８は、本発明の比較例としてのカーボン繊維織物１５ａを説明するための模式図である。図８には、触媒電極層１２ｃ，１３ｃと比較例のカーボン繊維織物１５ａとの境界を、図５と同様な模式図によって図示してある。比較例のカーボン繊維織物１５ａのバインダ樹脂２ａは、貫通孔２ｐを有しておらず、本実施例のカーボン繊維織物１５のバインダ樹脂２よりも幅狭に形成されている。
【００３３】
この比較例のカーボン繊維織物１５ａでは、バインダ樹脂２ａが、繊維間隔Ｄよりも幅の広い部位を有していないため、本実施例のカーボン繊維織物１５のように、カーボン繊維１の突出を十分に抑制することができない。より具体的には、電解質膜１１の方向に延伸する、互いに隣り合うカーボン繊維１のうち、いずれか一方が電解質膜１１へと突出して突き刺さってしまう可能性が高い。
【００３４】
また、比較例のカーボン繊維織物１５ａでは、バインダ樹脂２ａに貫通孔２ｐが設けられていないため、反応ガスが、バインダ樹脂２ａ同士の隙間からしか触媒電極層１２ｃ，１３ｃに到達することができない。さらに、バインダ樹脂２ａと触媒電極層１２ｃ，１３ｃとの間に水分が存在する場合に、その水分が、バインダ樹脂２ａと触媒電極層１２ｃ，１３ｃに狭持されたまま排出されず滞留してしまう可能性が高い。
【００３５】
以上のように、本実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層１２ｇ，１３ｇを構成するカーボン繊維織物１５が、繊維間隔Ｄよりも幅が広い部位を有するバインダ樹脂２を備えており、バインダ樹脂２が、カーボン繊維１の突出を抑制する抑制壁として機能する。従って、電解質膜１１をカーボン繊維１による突き刺しから保護することが可能である。また、バインダ樹脂２には、貫通孔２ｐが形成されているため、バインダ樹脂２が幅広に構成されている場合であっても、カーボン繊維織物１５における反応ガスの透過性や排水性が阻害されることが抑制されている。さらに、バインダ樹脂２は、導電性を有しているため、バインダ樹脂２が幅広に形成されることにより、カーボン繊維織物１５内およびカーボン繊維織物１５と触媒電極層１２ｃ，１３ｃとの間の導電経路が増大し、燃料電池１００の内部抵抗を低減させることができる。
【００３６】
図９は、本実施例のカーボン繊維織物１５の製造工程を説明するためのフローチャートである。ステップＳ１０では、カーボン繊維１の分散液を準備し、抄紙してシート状の繊維基材を準備する。この工程では、カーボン繊維１の分散液に電場または磁場を印加することにより、繊維基材におけるカーボン繊維１の配向方向がほぼ直角となるように調整する。
【００３７】
なお、この工程では、カーボン繊維１の外表面に離型剤を付着させておくことが好ましい。これにより、完成したカーボン繊維織物１５において、離型剤がカーボン繊維１とバインダ樹脂２との間の潤滑剤として機能させることができ、図５で説明したような基体繊維１ｂを支点とするバインダ樹脂２の揺動機構をより確実に得ることが可能となる。
【００３８】
ステップＳ２０では、バインダ樹脂２の原料となるフェノール系の樹脂を分散させた樹脂溶液を、ステップＳ１０で得た繊維基材に含浸させる。なお、この工程では、樹脂溶液に、予め、炭酸ナトリウムなどの発泡剤を添加しておく。これによって、バインダ樹脂２を多孔質に形成することが可能となり、バインダ樹脂２に貫通孔２ｐが形成される。貫通孔２ｐの直径や、バインダ樹脂２における貫通孔２ｐの分布の度合いは、この工程において添加される発泡剤の粒径や量、分散の度合いによって調整することが可能である。
【００３９】
ステップＳ３０では、樹脂溶液が含浸された繊維基材を焼成することにより、含浸されている樹脂を炭化させる。具体的には、樹脂溶液が含浸された繊維基材を、不活性ガスを充填した焼成室において、約２５００℃程度の温度で焼成する。この後、プレス工程などの整形工程を経て、カーボン繊維織物１５が完成する。
【００４０】
ところで、カーボン繊維織物１５における繊維間隔Ｄとバインダ樹脂２の幅は、カーボン繊維織物１５に含有されるカーボン繊維１の長さと、カーボン繊維織物１５の重量に対するバインダ樹脂２の重量（バインダ樹脂２の重量比率）とで調整することができる。具体的には、ステップＳ１０において準備するカーボン繊維１の長さによって、繊維間隔Ｄを調整するとともに、ステップＳ２０において含浸される樹脂溶液の量、または、樹脂溶液における樹脂濃度によって、バインダ樹脂２の幅を調整することができる。なお、図３〜図５で説明したようなカーボン繊維織物１５におけるバインダ樹脂２の構造は、電子顕微鏡による観察によって確認することが可能である。
【００４１】
図１０は、本実施例の他の構成例としての、カーボン繊維織物１５Ａの構造を説明するための模式図である。図１０は、バインダ樹脂２の下に存在する２本のカーボン繊維１が互いに交差する角度で傾斜している点以外は、図５とほぼ同様である。
【００４２】
ここで、上記実施例のカーボン繊維織物１５では、カーボン繊維１の配向方向がほぼ直角となるように形成されていた。これに対して、この構成例におけるカーボン繊維織物１５Ａでは、カーボン繊維１の配向方向が直角ではなく、カーボン繊維織物１５Ａの厚み方向に沿った方向に対して傾斜する角度を有して配置されるカーボン繊維１が多く存在するような配向角度を有している。
【００４３】
このような配向角度を有しているカーボン繊維織物１５Ａであっても、バインダ樹脂２が、基体繊維１ｂを挟む両側の位置において、表面に向かって延伸するカーボン繊維１の先端を押さえ込むように二方向に張り出した部位を有していれば良い。このカーボン繊維織物１５Ａであっても、バインダ樹脂２によって、電解質膜１１を、カーボン繊維１の突き刺しから保護することが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１…カーボン繊維
１ｂ…基体繊維
２,２ａ…バインダ樹脂
２ｐ…貫通孔
２ｅ…張出部位
１０…膜電極接合体
１１…電解質膜
１２，１３…第１と第２の電極層（アノード，カソード）
１２ｃ，１３ｃ…触媒電極層
１２ｇ，１３ｇ…ガス拡散層
１５，１５Ａ，１５ａ…カーボン繊維織物
２０，３０…第１と第２のセパレータ
２１，３１…流路溝
１００…燃料電池
１１０…単セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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