燃料電池、燃料電池用触媒電極層、および、燃料電池の製造方法
【課題】燃料電池の触媒電極において、生成水による反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）の阻害を抑制すること。
【解決手段】燃料電池であって、電解質層と、前記電解質層上に形成される触媒電極層と、を備え、前記触媒電極層は、少なくとも、電解質と、表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維とを備える。
【解決手段】燃料電池であって、電解質層と、前記電解質層上に形成される触媒電極層と、を備え、前記触媒電極層は、少なくとも、電解質と、表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の膜−電極接合体（ＭＥＡ）を形成する触媒電極層に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池では、触媒電極層であるアノードおよびカソードに、それぞれ、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスが供給されることで電気化学反応が進行し、電気化学反応の進行に伴って、カソードで水が生じる。このようにカソードで生じた水がカソード近傍に留まると、カソードに対する反応ガスの給排が妨げられる可能性がある。そのため、燃料電池における発電を良好に継続させるためには、カソードからの排水を支障なく進行させて、カソードへのガス供給が確保されることが必要である。なお、カソードで生じた水が、電解質膜を介してアノード側へと移動する場合には、アノード側においても同様の問題が生じる。
【０００３】
このような問題を解決する手段として、表面が親水性の親水繊維を触媒電極層に混入させ、触媒電極層中の生成水を、親水繊維を伝わせて移動させることにより触媒電極層からの排出を促進する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４７３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のように、触媒電極層中に親水繊維を混入しても、発電量が増加して、生成水量が増える場合には、触媒電極層からの生成水の排出が間に合わず、触媒電極層において、生成水の滞留量が増加して、生成水によって反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）が妨げられるおそれがあった。このように、生成水によって反応ガスの流れが妨げられると、触媒電極層に反応ガスが十分に行き渡らず、その結果、電池性能を充分に向上させることは困難となる。そのため、生成水がより多く生じる場合にも、反応ガス流れを確保できる技術が望まれていた。
【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、燃料電池の触媒電極層において、生成水による反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）の阻害を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池では、
燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層上に形成される触媒電極層と、
を備え、
前記触媒電極層は、少なくとも、
電解質と、
表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、
多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池によれば、触媒電極層において、多孔質親水繊維の内部に形成される微細路が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。そのため、触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【０００９】
上記燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、導電性とすることが好ましい。
【００１０】
このようにすれば、触媒電極層において、多孔質親水繊維が抵抗となることを抑制することができる。その結果、集電効率を上昇させることが可能となり、電池性能の低下を抑制することができる。
【００１１】
上記燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、前記微細路に加えて、表面も親水性を有することが好ましい。
【００１２】
このようにすれば、触媒電極層において、多孔質親水繊維の表面が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。そのため、触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による酸化ガスの拡散（酸化ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００１３】
上記燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、カーボン繊維を、水蒸気雰囲気下、または、酸素雰囲気下で腑活することにより生成したものであることが好ましい。
このようにすれば、多孔質親水繊維を容易に生成することが可能である。
【００１４】
上記燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、長手方向の長さが、繊維の太さの３倍以上であることが好ましい。
【００１５】
このようにすれば、多孔質親水繊維の生成水パスとしての機能を向上させることができる。そのため、触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による酸化ガスの拡散（酸化ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００１６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池用触媒電極層では、
電解質と、
表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、
多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維と、
を備えることを要旨とする。
【００１７】
上記構成の燃料電池用触媒電極層によれば、多孔質親水繊維の内部に形成される微細路が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。そのため、上記燃料電池用触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００１８】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池の製造方法では、
燃料電池の製造方法であって、
（Ａ）電解液、表面に触媒金属が担持された導電性粒子、および、多孔質な繊維状の物質であって、少なくとも、内部の孔が、親水性を有する多孔質親水繊維を用意する工程と、
（Ｂ）前記電解液、前記導電性粒子、および、前記多孔質親水繊維をミキシングして、スラリを形成する工程と、
（Ｃ）前記スラリから膜を形成し、それを乾燥することで触媒電極層を形成する工程と、
を備えることを要旨とする。
【００１９】
上記構成の燃料電池の製造方法によれば、多孔質親水繊維を触媒電極層中に混入して形成することが可能である。このようにすれば、触媒電極層において、多孔質親水繊維の内部に形成される微細路が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。そのため、触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００２０】
上記燃料電池の製造方法において、
（Ｄ）電解質膜を用意する工程と、
（Ｅ）前記工程（Ｂ）後、前記スラリの膜を前記電解質膜上に形成する工程と、
（Ｆ）前記工程（Ｃ）後、前記電解質膜上に形成された前記スラリの膜をホットプレスする工程と、
を備えるようにしてもよい。
【００２１】
このようにすれば、電解質膜の表面に触媒電極層を形成することができる。
【００２２】
なお、本発明は、上記した燃料電池や燃料電池用触媒電極層などの態様に限られることなく、例えば、燃料電池用膜電極接合体（ＭＥＡ）などの態様として実現することも可能である。また、燃料電池の製造方法などの態様に限られることなく、例えば、燃料電池用触媒電極層の製造方法や燃料電池用膜電極接合体（ＭＥＡ）などの態様として実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．触媒電極層の構成：
Ｃ．触媒電極層を有するＭＥＡの製造方法：
Ｄ．実施例と比較例の実験結果：
Ｅ．変形例：
【００２４】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、例えば固体高分子電解質型燃料電池とすることができ、単セル１０を複数積層したスタック構造を有している。単セル１０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の両面に形成される触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）とから成るＭＥＡ２４を備える。また、単セル１０は、ＭＥＡ２４の外側に第１ガス拡散層３１，３２を備え、さらに、その外側に第２ガス拡散層３３，３４を備えている。
【００２５】
電解質膜２１は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。触媒電極層であるカソード２２およびアノード２３についての詳細は、後述する。
【００２６】
第１ガス拡散層３１，３２は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。また、第２ガス拡散層３３，３４は、導電性を有し、第１ガス拡散層３１，３２よりも比較的大きな細孔からなる多孔質部材であり、例えば、カーボンペーパ等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。
【００２７】
ガスセパレータ３５，３６は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。ガスセパレータ３５，３６の表面には、単セル１０に供給された燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード２２側の第２ガス拡散層３３とガスセパレータ３５との間には、カソードでの電気化学反応に供される酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路３７が形成されている。また、アノード２３側の第２ガス拡散層３４とガスセパレータ３６との間には、アノードでの電気化学反応に供される燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路３８が形成されている。なお、図１のガスセパレータ３５，３６は、平行な複数の溝からなる凹凸形状を有しているが、異なる形状としても良く、ガスセパレータ３５，３６とＭＥＡ２４との間に、ガスの流路を形成するための空間を形成可能であればよい。
【００２８】
単セル１０の外周部には、単セル内酸化ガス流路３７および単セル内燃料ガス流路３８におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。また、本実施例の燃料電池は、単セル１０を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、単セル１０の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル１０に分配され、第２ガス拡散層３３および第１ガス拡散層３１を拡散しＭＥＡにて電気化学反応に供されつつ、各単セル内酸化ガス流路３７内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。同様に、燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル１０に分配され、第２ガス拡散層３４および第１ガス拡散層３２を拡散しＭＥＡにて電気化学反応に供されつつ、各単セル内燃料ガス流路３８内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。
【００２９】
燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。また、燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。
【００３０】
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるガスセパレータ３５と、これに隣接して設けられる他方の単セルのガスセパレータ３６との間に設ければよい。
【００３１】
Ｂ．触媒電極層の構成：
図２は、図１の点線領域Ｘの拡大図であり、触媒電極層（カソード２２）の様子を模式的に表わす説明図である。触媒電極層であるカソード２２は、図２に示すように、白金または白金と他の金属からなる合金などの触媒金属が担持された触媒担持カーボン（以下では、単に担持カーボンとも呼ぶ。）と、電解質とから成り、三層界面を形成し、電極として作用する混合電極材料を備える。そして、本実施例のカソード２２は、さらに、その混合電極材料中に本発明の特徴部分である多孔質親水繊維４０が混入されている。この多孔質親水繊維４０は、多孔質な繊維であり、内部に三次元的に連通して広がる微細路を備え、繊維表面および微細路が親水性を有する。この場合において、「親水性」とは、多孔質親水繊維４０の微細路内に多孔質親水繊維４０の表面から水が浸透することが可能な程度であればよく、例えば、親水性か否かの対象となる部分（微細路内、および、表面）と、液水との接触角が９０°未満となればよい。
【００３２】
この多孔質親水繊維４０は、シリカ繊維、金繊維、白金繊維、および、カーボン繊維などを所定条件下で腑活することにより生成することができる。例えば、多孔質親水繊維４０は、カーボン繊維を、高温（例えば、３５０℃程度。）の水蒸気雰囲気下または酸素雰囲気下で腑活することにより生成することが可能である。なお、アノード２３においても、カソード２２と同様に、担持カーボン、電解質から成る混合電極材料中に多孔質親水繊維４０が混入された構成となっている。また、上記混合電極材料を形成する電解質は、プロトン伝導性を有する材料、例えば、フッ素系樹脂などを用いることができる。
【００３３】
多孔質親水繊維４０は、長手方向（繊維方向）の長さが、担持カーボンよりも長ければよい。なお、多孔質親水繊維４０は、長手方向（繊維方向）の長さが、繊維径の３倍以上であることが好ましく、長手方向（繊維方向）の長さが、繊維径の１０倍以上４０００倍以下であることがより好ましく、さらに、長手方向（繊維方向）の長さが、繊維径の３０倍以上２００倍以下であることが特に好ましい。
【００３４】
ところで、カソード２２では、水の生成熱が生じることによって、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へかけて温度分布が生じ、また、カソード２２内で水は生成されるので、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へかけて湿度分布が生じる。一方、多孔質親水繊維４０は、表面が親水性であるので、カソード２２で電気化学反応により生成された水は、温度分布または湿度分布に起因して、多孔質親水繊維４０の表面を伝って電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へ移動し、カソード２２内、若しくは、第１ガス拡散層３１へ排出される。また、多孔質親水繊維４０は、内部に微細路を有し、その微細路が親水性であるので、生成水は、多孔質親水繊維４０の微細路にも浸透する。そして、多孔質親水繊維４０の微細路に浸透した水は、温度分布または湿度分布に起因して、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へ移動し、カソード２２内、若しくは、第１ガス拡散層３１へ排出される。多孔質親水繊維４０からカソード２２内に排出された水は、再度、他の多孔質親水繊維４０に浸透し、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へ移動し、カソード２２内、若しくは、第１ガス拡散層３１へ排出されることとなる。このように多孔質親水繊維４０は、カソード２２中において、その表面の他、内部に形成される微細路が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。
【００３５】
従って、カソード２２において、多くの生成水を、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へ排出することができ、すなわち、生成水を円滑にカソード２２から第１ガス拡散層３１へ排出することができ、その結果、カソード２２において、生成水による酸化ガスの拡散（酸化ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００３６】
なお、アノード２３においても、生成水がカソード２２から電解質膜２１を透過してくる場合があり、多孔質親水繊維４０を有することで、上記同様の効果を奏することができる。
【００３７】
また、上記多孔質親水繊維４０は、導電性であるので、触媒電極層において、多孔質親水繊維４０が抵抗となることを抑制することができる。その結果、集電効率を上昇させることが可能となり、電池性能の低下を抑制することができる。
【００３８】
Ｃ．触媒電極層を有するＭＥＡの製造方法：
図３は、燃料電池の製造時に実行される触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）を有するＭＥＡ２４の製造工程を表わす説明図である。触媒電極層を作製するには、まず、担持カーボンと、電解質を溶媒（水・アルコール混合液）に溶解させた電解液と、多孔質親水繊維４０とを用意する（ステップＳ１００）。
【００３９】
次に、ステップＳ１００の工程で用意した部材を混ぜ合わせて（ミキシングして）、スラリを形成する（ステップＳ１１０）。
【００４０】
続いて、ＰＴＦＥシートを用意し、用意したＰＴＦＥシート上にスラリを塗布する（ステップＳ１２０）。この場合、スクリーン印刷やドクターブレイドによって塗布することが可能である。
【００４１】
次に、ＰＴＦＥシート上に塗布したスラリを乾燥させる（ステップＳ１２５）。この場合、例えば、８０℃の空気雰囲気下に１０分間置くことで乾燥させる。
【００４２】
上記ステップＳ１００〜ステップＳ１２５の工程を繰り返すことによって、スラリが塗布されたＰＴＦＥシート（以下では、塗布後ＰＴＦＥシートとも呼ぶ。）を２つ用意する。そして、電解質膜２１を用意して、用意した電解質膜２１の両面に、塗布後ＰＴＦＥシートを配置する（ステップＳ１３０）。この場合、塗布後ＰＴＦＥシートは、スラリが塗布された面と電解質膜２１とが対向するように配置される。
【００４３】
そして、ステップＳ１３０の工程で生成された部材（電解質膜２１の両面に塗布後ＰＴＦＥシートが配置された部材）をホットプレスする（ステップＳ１４０）。
【００４４】
その後、この生成体から、ＰＴＦＥシートをはがすことによって（ステップＳ１５０）、電解質膜２１の両面に触媒電極層が形成されたＭＥＡが完成する。
【００４５】
以上のように、本実施例の燃料電池におけるＭＥＡの製造方法では、担持カーボンと、電解液と、多孔質親水繊維４０とをミキシングすることにより、混合電極材料中に多孔質親水繊維４０を備えた触媒電極層を作製するようにしている。このようにすれば、多孔質親水繊維４０を触媒電極層中に容易に混入することが可能である。
【００４６】
Ｄ．実施例と比較例の実験結果：
図４は、本実施例の燃料電池と、本実施例の燃料電池に対して触媒電極層の構成が異なる燃料電池とを比較した実験結果を示す図である。この実験結果は、本実施例の燃料電池の発電結果と、本実施例の燃料電池に対して触媒電極層の構成が異なる２つの燃料電池（それぞれ、比較例１の燃料電池、比較例２の燃料電池とも呼ぶ。）の発電結果（図４の比較例１，２に該当。）を示している。比較例１，２の燃料電池は、触媒電極層以外の構成（電解質膜２１、第１ガス拡散層、第２ガス拡散層、および、ガスセパレータなど。）は、本実施例の燃料電池と同様である。
【００４７】
実験に用いた本実施例の燃料電池は、カソード２２にのみ多孔質親水繊維４０が混入され、アノードは、担持カーボンと、電解質のみから構成されている。比較例１の燃料電池は、カソード、アノードともに、担持カーボンと、電解質のみから構成される。比較例２の燃料電池は、カソードが、担持カーボンと、電解質と、表面に親水処理が施された親水繊維（多孔質ではなく、内部に微細路無し。）とから構成され、アノードが、担持カーボンと、電解質のみから構成される。
【００４８】
本実施例、および、比較例１，２の燃料電池の触媒電極層（カソード２２）では、担持カーボンとして、４５質量％の白金を担持した炭素粒子（ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、ケッチェンブラックＥＣ）１ｇを用い、電解質として、高分子電解質（デュポン社製、ＳＥ２００９２）２．２ｇを用いた。比較例２の燃料電池では、親水繊維として、繊維径が５μｍのピッチ系カーボンファイバ（市販品）の表面に親水処理を施した親水カーボンファイバ０．０７ｇを用いた。また、本実施例の燃料電池では、多孔質親水繊維４０として、比較例２で用いたカーボンファイバ（繊維径が５μｍのピッチ系カーボンファイバ）を、３５０℃の空気雰囲気下で５時間腑活処理を行うことで生成された多孔質親水カーボンファイバ０．０７ｇを用いた。
【００４９】
また、本実施例、および、比較例１，２の燃料電池の触媒電極層（アノード２３）では、担持カーボンとして、３０質量％の白金を担持した炭素粒子（日本キャボット社製、バルカンＸＣ−７２Ｒ）１ｇを用い、電解質として、高分子電解質（デュポン社製、ＳＥ２００９２）３．５ｇを用いた。なお、電解質膜としては、フッ素系固体高分子膜（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ１１２）を用意した。
【００５０】
本実施例、および、比較例１，２の燃料電池では、以上の材料を用いて、ＭＥＡを作製（図３参照）し、そのＭＥＡを第１ガス拡散層、第２ガス拡散層の順に挟持し、最後に、その積層体をガスセパレータで挟持することで単セルを作製した。
【００５１】
実際の燃料電池は、単セルを複数積層した構造を有しているが、図４に示す実験結果は、本実施例、および、比較例１，２の燃料電池について、単セルの状態で発電を行なわせた場合の結果である。発電の際には、燃料ガスとしては純度の高い水素ガスを大過剰量用い、酸化ガスとしては空気を大過剰量用いた。このとき、燃料ガスおよび酸化ガスは、それぞれ、燃料電池の運転温度と同じ温度のバブラを用いて、略飽和蒸気圧となるように加湿した（すなわち、フル加湿した）。各燃料電池における電極面積は２５ｃｍ2 とした。発電は、８０℃および３０℃の温度条件で行なわせ、負荷が、それぞれ１．０Ａ／ｃｍ2 および０．５Ａ／ｃｍ2条件を維持している時の１０分間の平均電圧を測定した。
【００５２】
単セルの温度が３０℃の場合には、カソードでは、生成水の多くが液水の状態で存在すると考えられ、このような場合において、図４に示すように、本実施例の燃料電池は、比較例１，２の燃料電池と比較して、平均電圧を１．４倍から２倍程度高く維持することができた。また、単セルの温度が８０℃の場合には、カソードでは、比較的水が水蒸気の状態で存在し、少量の液水が存在する状態であると考えられるが、このような場合であっても、図４に示すように、本実施例の燃料電池は、比較例１，２の燃料電池と比較して、平均電圧を高く維持することができた。これらのことから、本実施例の燃料電池は、比較例１，２の燃料電池と比較して、カソードにおいて、生成水を円滑に排出し、酸化ガスの拡散の阻害を抑制することが可能と考えられる。
【００５３】
Ｅ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。
【００５４】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池では、多孔質親水繊維４０を腑活により生成するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、多孔質親水繊維４０を、所定の材料粉末（例えば、カーボン、白金、パラジウムなどの粉末）を焼結することによって生成することが可能である。また、例えば、多孔質親水繊維４０を、所定の金属多孔質繊維を用意し、その金属多孔質繊維の内部または表面を金または白金メッキすることにより生成することが可能である。
【００５５】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池では、白金などの触媒金属をカーボンに担持させるようにしていたが、本発明は、これに限られるものではなく、その他の導電性粒子（例えば、セラミックスなど）に担持させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】図１の点線領域Ｘの拡大図である。
【図３】燃料電池の製造時に実行される触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）を有するＭＥＡ２４の製造工程を表わす説明図である。
【図４】本実施例の燃料電池と本実施例の燃料電池に対して触媒電極層の構成が異なる燃料電池とを比較した実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…単セル
２１…電解質膜
２２…カソード
２３…アノード
３１…第１ガス拡散層
３２…第１ガス拡散層
３３…第２ガス拡散層
３４…第２ガス拡散層
３５…ガスセパレータ
３６…ガスセパレータ
３７…単セル内酸化ガス流路
３８…単セル内燃料ガス流路
４０…多孔質親水繊維
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の膜−電極接合体（ＭＥＡ）を形成する触媒電極層に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池では、触媒電極層であるアノードおよびカソードに、それぞれ、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスが供給されることで電気化学反応が進行し、電気化学反応の進行に伴って、カソードで水が生じる。このようにカソードで生じた水がカソード近傍に留まると、カソードに対する反応ガスの給排が妨げられる可能性がある。そのため、燃料電池における発電を良好に継続させるためには、カソードからの排水を支障なく進行させて、カソードへのガス供給が確保されることが必要である。なお、カソードで生じた水が、電解質膜を介してアノード側へと移動する場合には、アノード側においても同様の問題が生じる。
【０００３】
このような問題を解決する手段として、表面が親水性の親水繊維を触媒電極層に混入させ、触媒電極層中の生成水を、親水繊維を伝わせて移動させることにより触媒電極層からの排出を促進する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４７３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のように、触媒電極層中に親水繊維を混入しても、発電量が増加して、生成水量が増える場合には、触媒電極層からの生成水の排出が間に合わず、触媒電極層において、生成水の滞留量が増加して、生成水によって反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）が妨げられるおそれがあった。このように、生成水によって反応ガスの流れが妨げられると、触媒電極層に反応ガスが十分に行き渡らず、その結果、電池性能を充分に向上させることは困難となる。そのため、生成水がより多く生じる場合にも、反応ガス流れを確保できる技術が望まれていた。
【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、燃料電池の触媒電極層において、生成水による反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）の阻害を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池では、
燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層上に形成される触媒電極層と、
を備え、
前記触媒電極層は、少なくとも、
電解質と、
表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、
多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池によれば、触媒電極層において、多孔質親水繊維の内部に形成される微細路が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。そのため、触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【０００９】
上記燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、導電性とすることが好ましい。
【００１０】
このようにすれば、触媒電極層において、多孔質親水繊維が抵抗となることを抑制することができる。その結果、集電効率を上昇させることが可能となり、電池性能の低下を抑制することができる。
【００１１】
上記燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、前記微細路に加えて、表面も親水性を有することが好ましい。
【００１２】
このようにすれば、触媒電極層において、多孔質親水繊維の表面が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。そのため、触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による酸化ガスの拡散（酸化ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００１３】
上記燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、カーボン繊維を、水蒸気雰囲気下、または、酸素雰囲気下で腑活することにより生成したものであることが好ましい。
このようにすれば、多孔質親水繊維を容易に生成することが可能である。
【００１４】
上記燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、長手方向の長さが、繊維の太さの３倍以上であることが好ましい。
【００１５】
このようにすれば、多孔質親水繊維の生成水パスとしての機能を向上させることができる。そのため、触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による酸化ガスの拡散（酸化ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００１６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池用触媒電極層では、
電解質と、
表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、
多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維と、
を備えることを要旨とする。
【００１７】
上記構成の燃料電池用触媒電極層によれば、多孔質親水繊維の内部に形成される微細路が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。そのため、上記燃料電池用触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００１８】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池の製造方法では、
燃料電池の製造方法であって、
（Ａ）電解液、表面に触媒金属が担持された導電性粒子、および、多孔質な繊維状の物質であって、少なくとも、内部の孔が、親水性を有する多孔質親水繊維を用意する工程と、
（Ｂ）前記電解液、前記導電性粒子、および、前記多孔質親水繊維をミキシングして、スラリを形成する工程と、
（Ｃ）前記スラリから膜を形成し、それを乾燥することで触媒電極層を形成する工程と、
を備えることを要旨とする。
【００１９】
上記構成の燃料電池の製造方法によれば、多孔質親水繊維を触媒電極層中に混入して形成することが可能である。このようにすれば、触媒電極層において、多孔質親水繊維の内部に形成される微細路が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。そのため、触媒電極層において、生成水を円滑に排出することができ、その結果、生成水による反応ガスの拡散（反応ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００２０】
上記燃料電池の製造方法において、
（Ｄ）電解質膜を用意する工程と、
（Ｅ）前記工程（Ｂ）後、前記スラリの膜を前記電解質膜上に形成する工程と、
（Ｆ）前記工程（Ｃ）後、前記電解質膜上に形成された前記スラリの膜をホットプレスする工程と、
を備えるようにしてもよい。
【００２１】
このようにすれば、電解質膜の表面に触媒電極層を形成することができる。
【００２２】
なお、本発明は、上記した燃料電池や燃料電池用触媒電極層などの態様に限られることなく、例えば、燃料電池用膜電極接合体（ＭＥＡ）などの態様として実現することも可能である。また、燃料電池の製造方法などの態様に限られることなく、例えば、燃料電池用触媒電極層の製造方法や燃料電池用膜電極接合体（ＭＥＡ）などの態様として実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．触媒電極層の構成：
Ｃ．触媒電極層を有するＭＥＡの製造方法：
Ｄ．実施例と比較例の実験結果：
Ｅ．変形例：
【００２４】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、例えば固体高分子電解質型燃料電池とすることができ、単セル１０を複数積層したスタック構造を有している。単セル１０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の両面に形成される触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）とから成るＭＥＡ２４を備える。また、単セル１０は、ＭＥＡ２４の外側に第１ガス拡散層３１，３２を備え、さらに、その外側に第２ガス拡散層３３，３４を備えている。
【００２５】
電解質膜２１は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。触媒電極層であるカソード２２およびアノード２３についての詳細は、後述する。
【００２６】
第１ガス拡散層３１，３２は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。また、第２ガス拡散層３３，３４は、導電性を有し、第１ガス拡散層３１，３２よりも比較的大きな細孔からなる多孔質部材であり、例えば、カーボンペーパ等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。
【００２７】
ガスセパレータ３５，３６は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。ガスセパレータ３５，３６の表面には、単セル１０に供給された燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード２２側の第２ガス拡散層３３とガスセパレータ３５との間には、カソードでの電気化学反応に供される酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路３７が形成されている。また、アノード２３側の第２ガス拡散層３４とガスセパレータ３６との間には、アノードでの電気化学反応に供される燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路３８が形成されている。なお、図１のガスセパレータ３５，３６は、平行な複数の溝からなる凹凸形状を有しているが、異なる形状としても良く、ガスセパレータ３５，３６とＭＥＡ２４との間に、ガスの流路を形成するための空間を形成可能であればよい。
【００２８】
単セル１０の外周部には、単セル内酸化ガス流路３７および単セル内燃料ガス流路３８におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。また、本実施例の燃料電池は、単セル１０を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、単セル１０の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル１０に分配され、第２ガス拡散層３３および第１ガス拡散層３１を拡散しＭＥＡにて電気化学反応に供されつつ、各単セル内酸化ガス流路３７内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。同様に、燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル１０に分配され、第２ガス拡散層３４および第１ガス拡散層３２を拡散しＭＥＡにて電気化学反応に供されつつ、各単セル内燃料ガス流路３８内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。
【００２９】
燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。また、燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。
【００３０】
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるガスセパレータ３５と、これに隣接して設けられる他方の単セルのガスセパレータ３６との間に設ければよい。
【００３１】
Ｂ．触媒電極層の構成：
図２は、図１の点線領域Ｘの拡大図であり、触媒電極層（カソード２２）の様子を模式的に表わす説明図である。触媒電極層であるカソード２２は、図２に示すように、白金または白金と他の金属からなる合金などの触媒金属が担持された触媒担持カーボン（以下では、単に担持カーボンとも呼ぶ。）と、電解質とから成り、三層界面を形成し、電極として作用する混合電極材料を備える。そして、本実施例のカソード２２は、さらに、その混合電極材料中に本発明の特徴部分である多孔質親水繊維４０が混入されている。この多孔質親水繊維４０は、多孔質な繊維であり、内部に三次元的に連通して広がる微細路を備え、繊維表面および微細路が親水性を有する。この場合において、「親水性」とは、多孔質親水繊維４０の微細路内に多孔質親水繊維４０の表面から水が浸透することが可能な程度であればよく、例えば、親水性か否かの対象となる部分（微細路内、および、表面）と、液水との接触角が９０°未満となればよい。
【００３２】
この多孔質親水繊維４０は、シリカ繊維、金繊維、白金繊維、および、カーボン繊維などを所定条件下で腑活することにより生成することができる。例えば、多孔質親水繊維４０は、カーボン繊維を、高温（例えば、３５０℃程度。）の水蒸気雰囲気下または酸素雰囲気下で腑活することにより生成することが可能である。なお、アノード２３においても、カソード２２と同様に、担持カーボン、電解質から成る混合電極材料中に多孔質親水繊維４０が混入された構成となっている。また、上記混合電極材料を形成する電解質は、プロトン伝導性を有する材料、例えば、フッ素系樹脂などを用いることができる。
【００３３】
多孔質親水繊維４０は、長手方向（繊維方向）の長さが、担持カーボンよりも長ければよい。なお、多孔質親水繊維４０は、長手方向（繊維方向）の長さが、繊維径の３倍以上であることが好ましく、長手方向（繊維方向）の長さが、繊維径の１０倍以上４０００倍以下であることがより好ましく、さらに、長手方向（繊維方向）の長さが、繊維径の３０倍以上２００倍以下であることが特に好ましい。
【００３４】
ところで、カソード２２では、水の生成熱が生じることによって、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へかけて温度分布が生じ、また、カソード２２内で水は生成されるので、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へかけて湿度分布が生じる。一方、多孔質親水繊維４０は、表面が親水性であるので、カソード２２で電気化学反応により生成された水は、温度分布または湿度分布に起因して、多孔質親水繊維４０の表面を伝って電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へ移動し、カソード２２内、若しくは、第１ガス拡散層３１へ排出される。また、多孔質親水繊維４０は、内部に微細路を有し、その微細路が親水性であるので、生成水は、多孔質親水繊維４０の微細路にも浸透する。そして、多孔質親水繊維４０の微細路に浸透した水は、温度分布または湿度分布に起因して、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へ移動し、カソード２２内、若しくは、第１ガス拡散層３１へ排出される。多孔質親水繊維４０からカソード２２内に排出された水は、再度、他の多孔質親水繊維４０に浸透し、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へ移動し、カソード２２内、若しくは、第１ガス拡散層３１へ排出されることとなる。このように多孔質親水繊維４０は、カソード２２中において、その表面の他、内部に形成される微細路が生成水のパス（受け渡し流路）として機能することができる。
【００３５】
従って、カソード２２において、多くの生成水を、電解質膜２１側から第１ガス拡散層３１側へ排出することができ、すなわち、生成水を円滑にカソード２２から第１ガス拡散層３１へ排出することができ、その結果、カソード２２において、生成水による酸化ガスの拡散（酸化ガスの流れ）の阻害を抑制することが可能となる。
【００３６】
なお、アノード２３においても、生成水がカソード２２から電解質膜２１を透過してくる場合があり、多孔質親水繊維４０を有することで、上記同様の効果を奏することができる。
【００３７】
また、上記多孔質親水繊維４０は、導電性であるので、触媒電極層において、多孔質親水繊維４０が抵抗となることを抑制することができる。その結果、集電効率を上昇させることが可能となり、電池性能の低下を抑制することができる。
【００３８】
Ｃ．触媒電極層を有するＭＥＡの製造方法：
図３は、燃料電池の製造時に実行される触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）を有するＭＥＡ２４の製造工程を表わす説明図である。触媒電極層を作製するには、まず、担持カーボンと、電解質を溶媒（水・アルコール混合液）に溶解させた電解液と、多孔質親水繊維４０とを用意する（ステップＳ１００）。
【００３９】
次に、ステップＳ１００の工程で用意した部材を混ぜ合わせて（ミキシングして）、スラリを形成する（ステップＳ１１０）。
【００４０】
続いて、ＰＴＦＥシートを用意し、用意したＰＴＦＥシート上にスラリを塗布する（ステップＳ１２０）。この場合、スクリーン印刷やドクターブレイドによって塗布することが可能である。
【００４１】
次に、ＰＴＦＥシート上に塗布したスラリを乾燥させる（ステップＳ１２５）。この場合、例えば、８０℃の空気雰囲気下に１０分間置くことで乾燥させる。
【００４２】
上記ステップＳ１００〜ステップＳ１２５の工程を繰り返すことによって、スラリが塗布されたＰＴＦＥシート（以下では、塗布後ＰＴＦＥシートとも呼ぶ。）を２つ用意する。そして、電解質膜２１を用意して、用意した電解質膜２１の両面に、塗布後ＰＴＦＥシートを配置する（ステップＳ１３０）。この場合、塗布後ＰＴＦＥシートは、スラリが塗布された面と電解質膜２１とが対向するように配置される。
【００４３】
そして、ステップＳ１３０の工程で生成された部材（電解質膜２１の両面に塗布後ＰＴＦＥシートが配置された部材）をホットプレスする（ステップＳ１４０）。
【００４４】
その後、この生成体から、ＰＴＦＥシートをはがすことによって（ステップＳ１５０）、電解質膜２１の両面に触媒電極層が形成されたＭＥＡが完成する。
【００４５】
以上のように、本実施例の燃料電池におけるＭＥＡの製造方法では、担持カーボンと、電解液と、多孔質親水繊維４０とをミキシングすることにより、混合電極材料中に多孔質親水繊維４０を備えた触媒電極層を作製するようにしている。このようにすれば、多孔質親水繊維４０を触媒電極層中に容易に混入することが可能である。
【００４６】
Ｄ．実施例と比較例の実験結果：
図４は、本実施例の燃料電池と、本実施例の燃料電池に対して触媒電極層の構成が異なる燃料電池とを比較した実験結果を示す図である。この実験結果は、本実施例の燃料電池の発電結果と、本実施例の燃料電池に対して触媒電極層の構成が異なる２つの燃料電池（それぞれ、比較例１の燃料電池、比較例２の燃料電池とも呼ぶ。）の発電結果（図４の比較例１，２に該当。）を示している。比較例１，２の燃料電池は、触媒電極層以外の構成（電解質膜２１、第１ガス拡散層、第２ガス拡散層、および、ガスセパレータなど。）は、本実施例の燃料電池と同様である。
【００４７】
実験に用いた本実施例の燃料電池は、カソード２２にのみ多孔質親水繊維４０が混入され、アノードは、担持カーボンと、電解質のみから構成されている。比較例１の燃料電池は、カソード、アノードともに、担持カーボンと、電解質のみから構成される。比較例２の燃料電池は、カソードが、担持カーボンと、電解質と、表面に親水処理が施された親水繊維（多孔質ではなく、内部に微細路無し。）とから構成され、アノードが、担持カーボンと、電解質のみから構成される。
【００４８】
本実施例、および、比較例１，２の燃料電池の触媒電極層（カソード２２）では、担持カーボンとして、４５質量％の白金を担持した炭素粒子（ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、ケッチェンブラックＥＣ）１ｇを用い、電解質として、高分子電解質（デュポン社製、ＳＥ２００９２）２．２ｇを用いた。比較例２の燃料電池では、親水繊維として、繊維径が５μｍのピッチ系カーボンファイバ（市販品）の表面に親水処理を施した親水カーボンファイバ０．０７ｇを用いた。また、本実施例の燃料電池では、多孔質親水繊維４０として、比較例２で用いたカーボンファイバ（繊維径が５μｍのピッチ系カーボンファイバ）を、３５０℃の空気雰囲気下で５時間腑活処理を行うことで生成された多孔質親水カーボンファイバ０．０７ｇを用いた。
【００４９】
また、本実施例、および、比較例１，２の燃料電池の触媒電極層（アノード２３）では、担持カーボンとして、３０質量％の白金を担持した炭素粒子（日本キャボット社製、バルカンＸＣ−７２Ｒ）１ｇを用い、電解質として、高分子電解質（デュポン社製、ＳＥ２００９２）３．５ｇを用いた。なお、電解質膜としては、フッ素系固体高分子膜（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ１１２）を用意した。
【００５０】
本実施例、および、比較例１，２の燃料電池では、以上の材料を用いて、ＭＥＡを作製（図３参照）し、そのＭＥＡを第１ガス拡散層、第２ガス拡散層の順に挟持し、最後に、その積層体をガスセパレータで挟持することで単セルを作製した。
【００５１】
実際の燃料電池は、単セルを複数積層した構造を有しているが、図４に示す実験結果は、本実施例、および、比較例１，２の燃料電池について、単セルの状態で発電を行なわせた場合の結果である。発電の際には、燃料ガスとしては純度の高い水素ガスを大過剰量用い、酸化ガスとしては空気を大過剰量用いた。このとき、燃料ガスおよび酸化ガスは、それぞれ、燃料電池の運転温度と同じ温度のバブラを用いて、略飽和蒸気圧となるように加湿した（すなわち、フル加湿した）。各燃料電池における電極面積は２５ｃｍ2 とした。発電は、８０℃および３０℃の温度条件で行なわせ、負荷が、それぞれ１．０Ａ／ｃｍ2 および０．５Ａ／ｃｍ2条件を維持している時の１０分間の平均電圧を測定した。
【００５２】
単セルの温度が３０℃の場合には、カソードでは、生成水の多くが液水の状態で存在すると考えられ、このような場合において、図４に示すように、本実施例の燃料電池は、比較例１，２の燃料電池と比較して、平均電圧を１．４倍から２倍程度高く維持することができた。また、単セルの温度が８０℃の場合には、カソードでは、比較的水が水蒸気の状態で存在し、少量の液水が存在する状態であると考えられるが、このような場合であっても、図４に示すように、本実施例の燃料電池は、比較例１，２の燃料電池と比較して、平均電圧を高く維持することができた。これらのことから、本実施例の燃料電池は、比較例１，２の燃料電池と比較して、カソードにおいて、生成水を円滑に排出し、酸化ガスの拡散の阻害を抑制することが可能と考えられる。
【００５３】
Ｅ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。
【００５４】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池では、多孔質親水繊維４０を腑活により生成するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、多孔質親水繊維４０を、所定の材料粉末（例えば、カーボン、白金、パラジウムなどの粉末）を焼結することによって生成することが可能である。また、例えば、多孔質親水繊維４０を、所定の金属多孔質繊維を用意し、その金属多孔質繊維の内部または表面を金または白金メッキすることにより生成することが可能である。
【００５５】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池では、白金などの触媒金属をカーボンに担持させるようにしていたが、本発明は、これに限られるものではなく、その他の導電性粒子（例えば、セラミックスなど）に担持させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】図１の点線領域Ｘの拡大図である。
【図３】燃料電池の製造時に実行される触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）を有するＭＥＡ２４の製造工程を表わす説明図である。
【図４】本実施例の燃料電池と本実施例の燃料電池に対して触媒電極層の構成が異なる燃料電池とを比較した実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…単セル
２１…電解質膜
２２…カソード
２３…アノード
３１…第１ガス拡散層
３２…第１ガス拡散層
３３…第２ガス拡散層
３４…第２ガス拡散層
３５…ガスセパレータ
３６…ガスセパレータ
３７…単セル内酸化ガス流路
３８…単セル内燃料ガス流路
４０…多孔質親水繊維
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層上に形成される触媒電極層と、
を備え、
前記触媒電極層は、少なくとも、
電解質と、
表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、
多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、導電性であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、前記微細路に加えて、表面も親水性を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、カーボン繊維を、水蒸気雰囲気下、または、酸素雰囲気下で腑活することにより生成したものであるを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、長手方向の長さが、繊維の太さの３倍以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
燃料電池が備える電解質膜上に形成される燃料電池用触媒電極層であって、
電解質と、
表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、
多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維と、
を備えることを特徴とする燃料電池用触媒電極層。
【請求項７】
燃料電池の製造方法であって、
（Ａ）電解液、表面に触媒金属が担持された導電性粒子、および、多孔質な繊維状の物質であって、少なくとも、内部の孔が、親水性を有する多孔質親水繊維を用意する工程と、
（Ｂ）前記電解液、前記導電性粒子、および、前記多孔質親水繊維をミキシングして、スラリを形成する工程と、
（Ｃ）前記スラリから膜を形成し、それを乾燥することで触媒電極層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池の製造方法において、
（Ｄ）電解質膜を用意する工程と、
（Ｅ）前記工程（Ｂ）後、前記スラリの膜を前記電解質膜上に形成する工程と、
（Ｆ）前記工程（Ｃ）後、前記電解質膜上に形成された前記スラリの膜をホットプレスする工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層上に形成される触媒電極層と、
を備え、
前記触媒電極層は、少なくとも、
電解質と、
表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、
多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、導電性であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、前記微細路に加えて、表面も親水性を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、カーボン繊維を、水蒸気雰囲気下、または、酸素雰囲気下で腑活することにより生成したものであるを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記多孔質親水繊維は、長手方向の長さが、繊維の太さの３倍以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
燃料電池が備える電解質膜上に形成される燃料電池用触媒電極層であって、
電解質と、
表面に触媒金属が担持される導電性粒子と、
多孔質な繊維であって、内部に三次元的に連通して広がる微細路を有し、該微細路が親水性を有する多孔質親水繊維と、
を備えることを特徴とする燃料電池用触媒電極層。
【請求項７】
燃料電池の製造方法であって、
（Ａ）電解液、表面に触媒金属が担持された導電性粒子、および、多孔質な繊維状の物質であって、少なくとも、内部の孔が、親水性を有する多孔質親水繊維を用意する工程と、
（Ｂ）前記電解液、前記導電性粒子、および、前記多孔質親水繊維をミキシングして、スラリを形成する工程と、
（Ｃ）前記スラリから膜を形成し、それを乾燥することで触媒電極層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池の製造方法において、
（Ｄ）電解質膜を用意する工程と、
（Ｅ）前記工程（Ｂ）後、前記スラリの膜を前記電解質膜上に形成する工程と、
（Ｆ）前記工程（Ｃ）後、前記電解質膜上に形成された前記スラリの膜をホットプレスする工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−３２８９３６（Ｐ２００７−３２８９３６Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５７０３７（Ｐ２００６−１５７０３７）
【出願日】平成１８年６月６日（２００６．６．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月６日（２００６．６．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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