(57)【要約】【課題】安定した出力を可能とする燃料電池の電極基材を提供する。【解決手段】電極基材は、燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材１００であって、金属繊維またはカーボン繊維からなる低撥水性繊維１０２と、低撥水性繊維１０２より撥水性が高い金属繊維またはカーボン繊維からなる高撥水性繊維１０４と、を有する。これにより、燃料電池の電極に用いることで、発電中の反応により生成水が生じた場合に、低撥水性繊維１０２の周囲に生成水が集まりやすくなるとともに、高撥水性繊維１０４の周囲には生成水が留まりにくくなるため、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞することが抑制される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材であって、
金属繊維またはカーボン繊維からなる第１の繊維と、
前記第１の繊維より撥水性が高い金属繊維またはカーボン繊維からなる第２の繊維と、
を有することを特徴とする電極基材。
【請求項２】
前記第１の繊維および前記第２の繊維は共にカーボン繊維であり、
前記第２の繊維の黒鉛化度は、前記第１の繊維の黒鉛化度より高いことを特徴とする請求項１に記載の電極基材。
【請求項３】
前記金属繊維は、ステンレススチール、周期表４Ａ族元素、周期表５Ａ族元素、周期表６Ａ族元素、周期表８族元素、周期表１Ｂ族元素の少なくともいずれかを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の電極基材。
【請求項４】
前記第１の繊維が偏在する領域と前記第２の繊維が偏在する領域とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電極基材。
【請求項５】
燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材であって、
金属繊維またはカーボン繊維からなる第１の繊維と、
前記第１の繊維より撥水性が高い樹脂繊維からなる第２の繊維と、を有し、
前記第１の繊維が偏在する領域と前記第２の繊維が偏在する領域とを有することを特徴とする電極基材。
【請求項６】
前記第１の繊維が偏在する領域内に、前記第１の繊維で周囲が囲まれた空間が形成され、
前記第２の繊維が偏在する領域内に、前記第２の繊維で周囲が囲まれた空間が形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の電極基材。
【請求項７】
前記第１の繊維と前記第２の繊維とが織られずに結合されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電極基材。
【請求項８】
前記第１の繊維と前記第２の繊維とが織られた織布であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電極基材。
【請求項９】
前記第１の繊維および前記第２の繊維が所定の方向に揃った状態で複数本ずつ交互に並列されているとともに、前記第１の繊維および前記第２の繊維が前記所定の方向と交差する方向に揃った状態で複数本ずつ交互に並列されている領域を有することを特徴とする請求項８に記載の電極基材。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の電極基材と、触媒層と、を備える電極。
【請求項１１】
電解質膜と、
前記電解質膜の表面に設けられた請求項１０に記載の電極と、
を備える膜電極接合体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の膜電極接合体が組み込まれたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材の製造方法であって、
金属繊維またはカーボン繊維からなる第１の繊維と、前記第１の繊維より撥水性が高い金属繊維またはカーボン繊維からなる第２の繊維と、を準備する準備工程と、
前記第１の繊維が偏在する領域と前記第２の繊維が偏在する領域が形成されるように、前記第１の繊維と前記第２の繊維とが複数本ずつ交互に配列されるように結合する結合工程と、
を含むことを特徴とする電極基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電極に用いられる電極基材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【０００４】
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ−・・・・（１）
空気極：１／２Ｏ２+２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・・（２）
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒または触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
【０００５】
アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。
【０００６】
アノードやカソードにおいて用いられる一般的な電極基材として、カーボン織布やカーボンペーパにＰＴＦＥによる撥水処理を施したもの等が挙げられる。しかしながら、このような電極基材では、酸化剤ガスや燃料ガスの拡散パスやカソードで生成される生成水の排出パスは全く考慮されていない。そのため、このような電極基材を用いた燃料電池の運転条件の許容範囲は狭くなりがちであり、また、出力や加湿温度の変動に対するロバスト性が低いため、フラッディングや電解質膜の乾燥などの問題が発生する場合がある。
【０００７】
そこで、金属繊維と有機繊維との混毛織布または混毛不織布を用い、金属繊維と有機繊維とで親水性が異なるガス拡散電極が考案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−２６７５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載のガス拡散電極であっても出力や加湿温度の変動に対するロバスト性はいまだ十分であるとは言えず、更なる改良が求められている。
【０００９】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安定した出力を可能とする燃料電池の電極基材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電極基材は、燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材であって、金属繊維またはカーボン繊維からなる第１の繊維と、第１の繊維より撥水性が高い金属繊維またはカーボン繊維からなる第２の繊維と、を有する。
【００１１】
この態様によると、燃料電池の電極に用いることで、発電中の反応により生成水が生じた場合に、第２の繊維より撥水性が低い第１の繊維の周囲に生成水が集まりやすくなるとともに、第２の繊維の周囲には生成水が留まりにくくなるため、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞することが抑制される。そのため、生成水が多くなる高出力時においてもガスが通過する領域が確保され、フラッディングによる出力の低下が抑制される。また、生成水が少なくなる低出力時においては第１の繊維の周囲に留まっている生成水により電解質膜の乾燥が抑制される。その結果、広い出力範囲において安定した燃料電池を実現することができる。また、同様に、高加湿時のフラッディングによる出力低下が抑制されるとともに、低加湿時の膜乾燥が抑制されるため、広い範囲の加湿温度に対して安定した出力を可能とする燃料電池を実現することができる。
【００１２】
第１の繊維および第２の繊維は共にカーボン繊維であり、第２の繊維の黒鉛化度は、第１の繊維の黒鉛化度より高い。これにより、フッ素樹脂等の撥水材による撥水処理を行わなくても第１の繊維と第２の繊維との間で撥水性に差を設けることが可能となり、電極基材の抵抗を減少させることが可能となる。また、第１の繊維および第２の繊維が共にカーボン繊維であることで、有機樹脂を混入させる場合と比較して電気抵抗を小さくすることが容易となる。
【００１３】
金属繊維は、ステンレススチール、周期表４Ａ族元素、周期表５Ａ族元素、周期表６Ａ族元素、周期表８族元素、周期表１Ｂ族元素の少なくともいずれかを含んでいてもよい。
【００１４】
第１の繊維が偏在する領域と第２の繊維が偏在する領域とを有してもよい。これにより、第１の繊維が偏在する領域は水保持領域として機能し、第２の繊維が偏在する領域はガス拡散領域として機能することができる。
【００１５】
本発明の別の態様もまた、電極基材である。この電極基材は、燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材であって、金属繊維またはカーボン繊維からなる第１の繊維と、第１の繊維より撥水性が高い樹脂繊維からなる第２の繊維と、を有する。第１の繊維が偏在する領域と第２の繊維が偏在する領域とを有する。
【００１６】
この態様によると、燃料電池の電極に用いることで、発電中の反応により生成水が生じた場合に、第２の繊維より撥水性が低い第１の繊維の周囲に生成水が集まりやすくなるとともに、第２の繊維の周囲には生成水が留まりにくくなるため、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞することが抑制される。そのため、生成水が多くなる高出力時においてもガスが通過する領域が確保され、フラッディングによる出力の低下が抑制される。また、生成水が少なくなる低出力時においては第１の繊維の周囲に留まっている生成水により電解質膜の乾燥が抑制される。その結果、安定した出力を可能とする燃料電池を実現することができる。
【００１７】
第１の繊維が偏在する領域内に、第１の繊維で周囲が囲まれた空間が形成されてもよい。第２の繊維が偏在する領域内に、第２の繊維で周囲が囲まれた空間が形成されてもよい。これにより、第１の繊維で周囲が囲まれた空間を生成水の排出部や貯留部として機能させ、第２の繊維で周囲が囲まれた空間を発電において発生するガスや消費されるガスの通過部として機能させることができる。
【００１８】
第１の繊維と第２の繊維とが織られずに結合されていてもよい。第１の繊維と第２の繊維とが織られた織布であってもよい。
【００１９】
第１の繊維および第２の繊維が所定の方向に揃った状態で複数本ずつ交互に並列されているとともに、第１の繊維および第２の繊維が所定の方向と交差する方向に揃った状態で複数本ずつ交互に並列されている領域を有していてもよい。これにより、第１の繊維で周囲が囲まれた空間と第２の繊維で周囲が囲まれた空間を所望の場所に簡易に形成することができる。
【００２０】
本発明のさらに別の態様は、電極である。この電極は、上述の電極基材と、触媒層と、を備える。
【００２１】
本発明のさらに別の態様は、膜電極接合体である。この膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の表面に設けられた上述の電極と、を備える。
【００２２】
本発明のさらに別の態様は、燃料電池である。この燃料電池は、上述の膜電極接合体が組み込まれたものである。
【００２３】
本発明のさらに別の態様は、電極基材の製造方法である。この方法は、燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材の製造方法であって、金属繊維またはカーボン繊維からなる第１の繊維と、第１の繊維より撥水性が高い金属繊維またはカーボン繊維からなる第２の繊維と、を準備する準備工程と、第１の繊維が偏在する領域と第２の繊維が偏在する領域が形成されるように、第１の繊維と第２の繊維とが複数本ずつ交互に配列されるように結合する結合工程と、を含む。
【００２４】
この態様によると、第１の繊維で周囲が囲まれた領域と第２の繊維で周囲が囲まれた領域を所望の場所に簡易に形成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、安定した出力を可能とする燃料電池を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００２７】
（燃料電池）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池１０の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線上の断面図である。燃料電池１０は、平板状の膜電極接合体５０を備え、この膜電極接合体５０の両側にはセパレータ３４およびセパレータ３６が設けられている。この例では一つの膜電極接合体５０のみを示すが、セパレータ３４やセパレータ３６を介して複数の膜電極接合体５０を積層して、燃料電池１０が構成されてもよい。
【００２８】
膜電極接合体５０は、固体高分子電解質膜２０、アノード２２、およびカソード２４を有する。アノード２２は、触媒層２６およびガス拡散層２８からなる積層体を有する。一方、カソード２４は、触媒層３０およびガス拡散層３２からなる積層体を有する。アノード２２の触媒層２６とカソード２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられている。
【００２９】
アノード２２側に設けられるセパレータ３４にはガス流路３８が設けられている。燃料供給用のマニホールド（図示せず）から燃料ガスがガス流路３８に分配され、ガス流路３８を通じて膜電極接合体５０に燃料ガスが供給される。同様に、カソード２４側に設けられるセパレータ３６にはガス流路４０が設けられている。
【００３０】
酸化剤供給用のマニホールド（図示せず）から酸化剤ガスがガス流路４０に分配され、ガス流路４０を通じて膜電極接合体５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池１０の運転時、燃料ガス、例えば水素ガスがガス流路３８内をガス拡散層２８の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、アノード２２に燃料ガスが供給される。
【００３１】
一方、燃料電池１０の運転時、酸化剤ガス、例えば、空気がガス流路４０内をガス拡散層３２の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、カソード２４に酸化剤ガスが供給される。これにより、膜電極接合体５０内で反応が生じる。ガス拡散層２８を介して触媒層２６に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜２０中をカソード２４側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路からカソード２４に流れ込む。一方、ガス拡散層３２を介して触媒層３０に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においてはアノード２２からカソード２４に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
【００３２】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード２２およびカソード２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。
【００３３】
アノード２２を構成する触媒層２６は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒として、例えば白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウムなどの金属、またはこれらの金属の合金が挙げられる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。
【００３４】
アノード２２を構成するガス拡散層２８は、アノードガス拡散基材、およびアノードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えば金属繊維、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
【００３５】
アノードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、例えば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することが好ましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの（状態）にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。
【００３６】
カソード２４を構成するガス拡散層３２は、カソードガス拡散基材、およびカソードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えば金属繊維、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
【００３７】
カソードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、例えば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することが好ましい。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。
【００３８】
カソード２４を構成する触媒層３０は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒として、例えば白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウムなどの金属、またはこれらの金属の合金が挙げられる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。
【００３９】
（電極基材）
次に、電極基材であるアノードガス拡散基材やカソードガス拡散基材の構成について説明する。本実施の形態に係る電極基材は、撥水性の異なる２種類の繊維を交差させることで、ガスや水が通過しやすい空間が繊維で囲まれた状態で形成されている。
【００４０】
図３は、実施の形態に係る電極基材の要部の上面図である。以下では、カソード２４を構成するガス拡散層３２に用いられているカソードガス拡散基材（以下、「電極基材」という）を例に説明する。なお、アノードガス拡散基材についてもほぼ同様な構成を採用することができるため、主にカソードガス拡散基材と異なる点について説明し、その他は適宜省略する。
【００４１】
図３に示すように、電極基材１００は、相対的に撥水性の低い低撥水性繊維１０２と、相対的に撥水性の高い高撥水性繊維１０４と、を有する。このような電極基材１００を燃料電池の電極に用いることで、発電中の反応により生成水が生じた場合に、高撥水性繊維１０４より撥水性が低い低撥水性繊維１０２の周囲に生成水が集まりやすくなるとともに、高撥水性繊維１０４の周囲には生成水が留まりにくくなるため、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞することが抑制される。そのため、生成水が多くなる高出力時においてもガスが通過する領域が確保され、フラッディングによる出力の低下が抑制される。また、生成水が少なくなる低出力時においては低撥水性繊維１０２の周囲に留まっている生成水により電解質膜の乾燥が抑制される。その結果、安定した出力を可能とする燃料電池を実現することができる。
【００４２】
電極基材１００のうち図３に示す領域においては、低撥水性繊維１０２および高撥水性繊維１０４が横方向に揃った状態で２本ずつ交互に並列されているとともに、低撥水性繊維１０２および高撥水性繊維１０４が縦方向に揃った状態で２本ずつ交互に並列されている。
【００４３】
これにより、低撥水性繊維１０２が偏在する領域Ｒ１と高撥水性繊維１０４が偏在する領域Ｒ２とが形成される。
【００４４】
また、低撥水性繊維１０２が偏在する領域Ｒ１内には、低撥水性繊維１０２で周囲が囲まれた空間Ｓ１が形成され、高撥水性繊維１０４が偏在する領域Ｒ２内に、高撥水性繊維１０４で周囲が囲まれた空間Ｓ２が形成される。これにより、低撥水性繊維１０２で周囲が囲まれた空間Ｓ１を生成水の排出部や貯留部として機能させ、高撥水性繊維１０４で周囲が囲まれた空間Ｓ２を発電において発生するガスや消費されるガスの通過部として機能させることができる。
【００４５】
また、低撥水性繊維１０２と高撥水性繊維１０４とを複数本並列させる領域を適宜調整することで、低撥水性繊維１０２で周囲が囲まれた空間Ｓ１と高撥水性繊維１０４で周囲が囲まれた空間Ｓ２を所望の割合で電極基材１００の所望の場所に簡易に形成することができる。
【００４６】
なお、電極基材全体に占める高撥水性繊維１０４の割合は、５〜９５％の範囲がよい。高撥水性繊維１０４の割合がこの範囲より高いと、生成水が排出されにくくなり、フラディングによる出力の低下が発生しやすくなる。また、高撥水性繊維１０４の割合がこの範囲より低いと、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞されやすくなる。電極基材全体に占める高撥水性繊維１０４の割合は、好ましくは１５〜８５％、より好ましくは３０〜７０％の範囲であるとよい。
【００４７】
また、生成水の排出部や貯留部として機能する空間Ｓ１の総面積とガスの通過部として機能する空間Ｓ２の総面積との和に対する、空間Ｓ２の総面積の割合は、２０〜９５％の範囲がよい。空間Ｓ２の総面積の割合がこの範囲より高いと、生成水が排出されにくくなり、フラディングによる出力の低下が発生しやすくなる。また、空間Ｓ２の総面積の割合がこの範囲より低いと、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞されやすくなる。空間Ｓ２の総面積の割合は、好ましくは３０〜９０％、より好ましくは４０〜８５％の範囲であるとよい。
【００４８】
以下に低撥水性繊維１０２と高撥水性繊維１０４の具体的な組合せを例示し、あわせて電極基材の製造方法についても説明する。
【００４９】
［実施例１］
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維１０２として黒鉛化度の低いカーボン繊維を、高撥水性繊維１０４として黒鉛化度の高いグラファイトカーボン繊維が用いられており、図３に示すように縦方向、横方向共に低撥水性繊維１０２と高撥水性繊維１０４とが複数本ずつ交互に並列された状態になるように織られている。これにより、フッ素樹脂等の撥水材による撥水処理を行わなくても低撥水性繊維１０２と高撥水性繊維１０４との間で撥水性に差を設けることが可能となり、電極基材の抵抗を減少させることが可能となる。また、低撥水性繊維１０２および高撥水性繊維１０４が共にカーボン繊維であることで、有機樹脂を混入させる場合と比較して電気抵抗を小さくすることが容易となる。各繊維の直径は、０．１μｍ〜１０μｍ程度のものが好ましい。また、各繊維は複数の繊維を合わせて一つの束にしたものであってもよい。
【００５０】
このようにして作製された電極基材に、微細孔層として前述の導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物を塗布した後、乾燥・熱処理を行う。次に、微細孔層が形成された電極基材上に触媒スラリーを塗布する。以下に触媒スラリーの作製および塗布方法、ならびに、電極および膜電極接合体の作製方法を説明する。
【００５１】
＜カソード触媒スラリー作製＞
カソード触媒として、白金担持カーボン（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ，田中貴金属工業株式会社）を用い、イオン交換樹脂として、ナフィオン（登録商標）ＤＥ２０２０ＣＳ溶液（２０％，Ｅｗ＝１０５０，デュポン社製）を用いた。白金担持カーボン５ｇに対し、１０ｍＬの超純水を添加し撹拌した後に、１５ｍＬエタノールを添加した。この触媒分散溶液について、超音波スターラーを用いて１時間超音波撹拌分散を行った。所定のナフィオン溶液を、等量の超純水で希釈を行いガラス棒で3分間撹拌した後、超音波洗浄器を用いて１時間超音波分散を行い、ナフィオン水溶液を得た。その後、ナフィオン水溶液をゆっくりと触媒分散液中に滴下した。滴下中は、超音波スターラーを用いて連続的に撹拌を行った。ナフィオン溶液滴下終了後、１−プロパノールと１−ブタノールの混合溶液１０ｇ（重量比１：１）の滴下を行い、得られた溶液を触媒スラリーとした。混合中は、すべて水温が約６０℃になるように調整し、エタノールを蒸発、除去した。
【００５２】
＜カソード作製＞
上記の方法で作製した触媒スラリーをスクリーン印刷（１５０メッシュ）によって、微細孔層の上に塗布し、８０℃、３時間の乾燥および１８０℃、４５分の熱処理を行って触媒層を形成した。
【００５３】
＜アノード触媒スラリー作製＞
アノード触媒スラリーの作製方法は、触媒として白金ルテニウム担持カーボン（ＴＥＣ６１Ｅ５４）を使用する点を除き、カソード触媒スラリーの作製方法と同様である。
【００５４】
＜アノード作製＞
上記の方法で作製した触媒スラリーをスクリーン印刷（１５０メッシュ）によって、バルカンＸＣ７２によって作製した細孔層付きのガス拡散層に塗布し、８０℃、３時間の乾燥および１３０℃、４５分の熱処理を行って触媒層を形成した。
【００５５】
＜膜電極接合体の作製＞
上記の方法で作製したアノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を狭持した状態でホットプレスを行う。固体高分子電解質膜としてＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）（ＳＦ７２０１ｘ、旭化成ケミカルズ性）を用いた。１７０℃、２００秒の接合条件でアノード、固体高分子電解質膜、およびカソードをホットプレスすることによって膜電極接合体を作製した。なお、固体高分子電解質膜の厚さは、５０μｍ、カソード触媒層の厚さは２０μｍ、アノード触媒層の厚さは２０μｍとした。また、この膜電極接合体を組み込んで燃料電池が作製される。
【００５６】
［実施例２］
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維１０２として表面が親水化処理されたステンレススチール繊維を、高撥水性繊維１０４として表面が親水化処理されていないステンレススチール繊維が用いられている。親水化処理としては、例えば、繊維の表面をプラズマ処理、レーザ処理、コロナ処理する方法や、繊維に無機ナノ微粒子を混入させる方法が適用可能である。なお、この電極基材を用いた電極や膜電極接合体、燃料電池の作製方法は実施例１と同様である。
【００５７】
［実施例３］
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維１０２と高撥水性繊維１０４の一方にカーボン繊維を、他方に金属繊維が用いられている。金属繊維の親水化処理としては、例えば、繊維の表面をプラズマ処理、レーザ処理、コロナ処理する方法や、繊維に無機ナノ微粒子を混入させる方法が適用可能である。また、金属繊維の撥水化処理としては、例えば、繊維の表面をフッ素処理やシランカップリング剤、イオンビームにより改質する方法や、繊維にフッ素系微粒子を混入させる方法が適用可能である。一方、カーボン繊維の親水化処理としては、前述の金属繊維の親水化処理に加えて、黒鉛化度を下げる方法が適用可能である。また、カーボン繊維の撥水化処理としては、前述の金属繊維の撥水化処理に加えて、黒鉛化度を上げる方法が適用可能である。このような各処理を適宜選択することで、低撥水性繊維１０２と高撥水性繊維１０４の一方にカーボン繊維を、他方に金属繊維を用いることができる。なお、この電極基材を用いた電極や膜電極接合体、燃料電池の作製方法は実施例１と同様である。
【００５８】
［実施例４］
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維１０２としてカーボン繊維を、高撥水性繊維１０４としてＰＴＦＥ繊維が用いられている。なお、この電極基材を用いた電極や膜電極接合体、燃料電池の作製方法は実施例１と同様である。
【００５９】
［実施例５］
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維１０２としてステンレススチール繊維を、高撥水性繊維１０４としてＰＴＦＥ繊維が用いられている。なお、この電極基材を用いた電極や膜電極接合体、燃料電池の作製方法は実施例１と同様である。
【００６０】
［実施例６］
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維１０２としてカーボン繊維を、高撥水性繊維１０４としてＰＴＦＥ繊維が用いられているが、電極基材の作製の方法が実施例１と異なる。図４は、実施例６における電極基材の作成方法を模式的に示した図である。
【００６１】
本実施例では、はじめに、カーボン繊維からなる低撥水性繊維１０２をメッシュ状に織った織布１１０と、ＰＴＦＥ繊維からなる高撥水性繊維１０４をメッシュ状に織った織布１２０とを別々に作製する。そして、織布１１０と織布１２０とが張り合わされて電極基材２００が作製される。張り合わせは、例えば、それぞれの繊維が交差する箇所を接着剤により結合してもよいし、繊維の表層を溶融することで互いを結合してもよい。この際、低撥水性繊維１０２と高撥水性繊維１０４とが複数本ずつ交互に配列されるように結合する。
【００６２】
これにより、低撥水性繊維１０２が偏在する領域Ｒ１と高撥水性繊維１０４が偏在する領域Ｒ２が形成される。また、本実施例の方法では、織布１１０、織布１２０において、予め低撥水性繊維１０２が偏在する領域Ｒ１と高撥水性繊維１０４が偏在する領域Ｒ２とを所望の箇所に形成しておくことで、低撥水性繊維１０２で周囲が囲まれた領域Ｒ１と高撥水性繊維１０４で周囲が囲まれた領域Ｒ２を電極基材の所望の場所に簡易に形成することができる。
【００６３】
なお、実施例６においては、織布同士が張り合わされて電極基材が結合されているが、織布同士が織り込まれた電極基材であってもよい。あるいは、図４に示すような織布ではなく、不織布同士が張り合わされた電極基材であってもよい。なお、織り込まれている、あるいは張り合わされている領域は、電極基材の全体であってもその一部であってもよい。また、織り込まれている、あるいは張り合わされている領域は、必ずしも規則的に形成されている必要はなく、適宜偏在させてもよい。
【００６４】
また、上述の各実施例においてステンレススチール繊維以外の金属繊維を用いることも可能であり、例えば、周期表４Ａ族元素、周期表５Ａ族元素、周期表６Ａ族元素、周期表８族元素、周期表１Ｂ族元素の少なくともいずれかの金属、それらの組合せからなる合金や混合物であってもよい。また、樹脂繊維としては、例えば、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥなどの撥水性の高い材料を用いることができる。
【００６５】
また、実施例３乃至５によれば、撥水材を用いずに撥水性に差異を設けることが可能となり、撥水材による撥水処理工程の削除による工数の削減や生産バラツキの低減に寄与する。
【００６６】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における製造方法の順番を適宜組み替えることや、電極基材、膜電極接合体、燃料電池において各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線上の断面図である。
【図３】実施の形態に係る電極基材の要部の上面図である。
【図４】実施例６における電極基材の作成方法を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  燃料電池、  ２０  固体高分子電解質膜、  ２２  アノード、  ２４  カソード、  ２６  触媒層、  ２８  ガス拡散層、  ３０  触媒層、  ３２  ガス拡散層、  ３４  セパレータ、  ３６  セパレータ、  ３８  ガス流路、  ４０  ガス流路、  ５０  膜電極接合体、  １００  電極基材、  １０２  低撥水性繊維、  １０４  高撥水性繊維、  １１０  織布、  １２０  織布、  ２００  電極基材。  
【図１】
2009211953.tif 000003
【図２】
2009211953.tif 000004
【図３】
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【図４】
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