JP2002124273A - 固体高分子型燃料電池とその製造方法及び固体高分子型燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単位電池の構成を単純化し、小型化・低コス
ト化を可能にした固体高分子型燃料電池を提供する。 【解決手段】 中空形状のガス拡散電極層ｉ、電極層ｉ
の外周に高分子固体電解質膜層、電解質膜層の外周にガ
ス拡散電極層ｉｉを有する固体高分子型燃料電池であっ
て、電極層ｉの内径が０．５〜１０ｍｍである電池、あ
るいは電極層ｉの内周及び／又は電極層ｉｉの外周に多
孔質絶縁膜層を有する電池。この電池が直列及び／又は
並列に接続されたモジュール。電極層ｉとして炭素質チ
ューブを用い、その外周に電解質膜層、電極層ｉｉを順
次形成する固体高分子型燃料電池の製造方法。多孔質絶
縁膜層として多孔質絶縁膜中空体を用い、その外周に電
極層ｉ、電解質膜層、電極層ｉｉを順次形成する固体高
分子型燃料電池の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料として純水素、
またはメタノールや化石燃料からの改質水素などの還元
剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする固体高分子型燃料
電池及びその製造方法、ならびに固体高分子型燃料電池
モジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、電池内で水素やメタノール
等の燃料を電気化学的に酸化することにより、燃料の化
学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出す
ものであり、近年、クリーンな電気エネルギー供給源と
して注目されている。このような燃料電池は、用いる電
解質の種類によって、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸
塩型、固体酸化物型、固体高分子型等に分類される。こ
のうち、プロトン伝導性の電解質を用いるリン酸型及び
固体高分子型燃料電池は、熱力学におけるカルノーサイ
クルの制限を受けずに高い効率で運転できるものであ
り、その理論効率は２５℃において８３％にも達する。

【０００３】このようなプロトン伝導型燃料電池の基本
構造は、イオン交換膜等の電解質と、その両面に接合さ
れた一対のガス拡散電極とで構成されている。そして、
一方のガス拡散電極に燃料（例えば水素）を、もう一方
のガス拡散電極に酸化剤（例えば酸素や空気等）をそれ
ぞれ供給し、両方のガス拡散電極間に外部負荷回路を接
続することにより、燃料電池として作動する。即ち、前
者のガス拡散電極（アノード）においては、燃料の酸化
によりプロトン（水素イオン）と電子とが生じ、このプ
ロトンは電解質内を伝導して後者のガス拡散電極（カソ
ード）に移動し、ここでプロトンと酸化剤中の酸素とが
反応して水を生成する。この時、アノードで生じた電子
が、外部負荷回路を移動してカソードへと移動すること
により電気エネルギーが得られる。

【０００４】また、各ガス拡散電極の少なくとも電解質
側には触媒が担持されようにして、上記反応を助長する
工夫がなされている。

【０００５】従来の固体高分子型燃料電池は、電解質に
固体高分子電解質である平型のイオン交換膜を用いてい
るので、イオン交換膜の両面に正極または負極を層状に
形成し、単位電池はシート状の平面体の構成となる。こ
の単位電池をセパレータ板とガスケットを間に挟みガス
シールして積層する構造となる。

【０００６】しかしながら、上記平面体構造の固体高分
子型燃料電池の構成では、各単位電池の反応ガスの混合
を防ぎ、かつ電気的に接続するための部材であるセパレ
ータ板が必要である。このセパレータ板には、主に人造
黒鉛、ガラス状炭素などの炭素系バルク材料から成る板
の両面にＮＣ加工で溝加工したものが用いられている
が、金属材料に比較して成形加工が困難で加工コストが
高いという問題を有していた。

【０００７】さらに、上記平面体構造の固体高分子型燃
料電池の構成では、積層化するための部材として各部の
ガスシールのためにガスケットが必要である。各単位電
池ごとに正極や負極の電極部、燃料や酸化剤のマニホー
ルド部などをそれぞれ独立して分離、シールする必要が
あり、上記ガスケットは複雑かつ精密な形状となる。そ
のためさらにコストを上げ組立を困難にする原因となる
という問題を有していた。

【０００８】また、上記平面体構造の固体高分子型燃料
電池で、膜加湿を行った場合には単位電池を積層化する
場合と同様にセパレータ板やガスケットの問題があり、
噴霧装置や多孔質板、超音波加湿を用いた場合にはシス
テムが複雑になるのに加えて加圧装置や超音波発振子な
どに要する動力源を燃料電池本体の出力から賄う必要が
あり、性能低下につながるという問題を有していた。

【０００９】これら平面体構造の問題点を解決するため
に、特開平９−２２３５０７号公報には、固体高分子電
解質の中空糸を用いた小型燃料電池が提案されている。
この提案では、固体高分子電解質の中空糸の内面に負
極、外面に正極を形成し、負極側に燃料を、正極側に酸
化剤を供給してなる単位電池を構成するようにしてい
る。

【００１０】しかしながら、特開平９−２２３５０７号
公報で提案された固体高分子型燃料電池は、内径０．３
５ｍｍの中空膜を用いており、そのため、中空膜の内側
に均一に薄い電極層を担持させるのは困難であり、その
ため電池の高出力化が難しいという問題を有する。

【００１１】さらに、電極として、無電解メッキにより
Ｐｔを担持させているため担持量低減が難しく、そのた
めコストを低減できないという問題を有する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような従
来の課題を解決するもので、単位電池の構成を単純化
し、小型化・低コスト化を可能にした固体高分子型燃料
電池を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願第一の発明は、内径
０．５〜１０ｍｍの中空形状のガス拡散電極層ｉと、該
ガス拡散電極層ｉの外周に形成された高分子固体電解質
膜層と、該高分子固体電解質膜層の外周に形成されたガ
ス拡散電極層ｉｉを有することを特徴とする固体高分子
型燃料電池である。

【００１４】この円筒形状の高分子固体電解質膜層は、
一般の固体高分子型燃料電池の電解質膜同様、プロトン
を移動させる電解質であり、固体高分子型燃料電池に一
般に用いられるプロトン伝導膜であれば使用でき、本発
明による特段の制限はない。

【００１５】また、集電体であると同時にその空隙がガ
スの流路でもあるガス拡散電極層ｉおよびｉｉとして
も、固体高分子型燃料電池に用いることのできるもので
あれば用いることができ、本発明による特段の制限はな
い。またガス拡散電極層ｉおよびｉｉの材質は互いに同
じでも異なっていても良い。

【００１６】特開平９−２２３５０７号公報で提案され
た固体高分子型燃料電池は、内径０．３５ｍｍと空隙の
狭い中空状のプロトン伝導膜を用いているため、中空膜
の内側に均一に薄い電極層を担持させるのは困難であ
り、そのため電池の高出力化が難しいが、中空形状のガ
ス拡散電極層ｉの内径を０．５〜１０ｍｍとすることで
均一に薄い電極層を形成することができ、より高出力・
高効率の固体高分子型燃料電池とすることができる。

【００１７】本願第二の発明は、中空形状のガス拡散電
極層ｉと、該ガス拡散電極層ｉの外周に形成された高分
子固体電解質膜層と、該高分子固体電解質膜層の外周に
形成されたガス拡散電極層ｉｉを有し、かつ、ガス拡散
電極層ｉの内周および／またはガス拡散電極層ｉｉの外
周に形成された多孔質絶縁膜層を有することを特徴とす
る固体高分子型燃料電池である。

【００１８】多孔質絶縁膜層とは、絶縁性樹脂より成る
連続孔を有する多孔質膜である。多孔質絶縁膜層の構成
素材としては、撥水性付与と電気化学的安定性から鎖状
ポリオレフィン、環状ポリオレフィン及び主鎖もしくは
側鎖にベンゼン環を含む芳香族ポリマーからなる群から
選ばれた少なくとも一つの化合物、及び／または、該化
合物のポリマーが部分フッ素化もしくは全フッ素化され
た化合物より構成されるのが好ましい。

【００１９】ガス拡散電極層ｉの内周および／またはガ
ス拡散電極層ｉｉの外周に形成された多孔質絶縁層ｉ、
ｉｉを有することにより、水の排出が容易となり、また
本発明の固体高分子型燃料電池の強度を向上させること
ができる。

【００２０】本発明においては、多孔質絶縁膜層の空孔
率が２０〜８０％であることが好ましい。空孔率が２０
％以下だとガス流量が低下してしまうという点で不利で
あり、また８０％以上では多孔質絶縁膜層による補強効
果が低下するという点で不利であるためである。

【００２１】また、多孔質絶縁膜の膜厚が１００μｍ以
下であることが好ましい。絶縁膜層が厚いとガス流量が
低下するという点で不利であるためである。多孔質絶縁
膜層ｉ、ｉｉの材質は互いに同じでも異なっていても良
い。

【００２２】本発明においては、ガス拡散電極層ｉと該
ガス拡散電極層の外周に形成された高分子固体電解質膜
層との間に、触媒層ｉが形成されていること、高分子固
体電解質膜層と該高分子固体電解質膜層の外周に形成さ
れたガス拡散電極層ｉｉとの間に、触媒層ｉｉが形成さ
れていることが好ましい。触媒層は炭素担体とそれに担
持された触媒成分より成る。触媒成分としては、固体高
分子型燃料電池に用いられるものであれば、本発明にお
いて特に制限無く使用することができる。例えば、触媒
層ｉについては白金、あるいは燃料となる水素に一酸化
炭素等の不純物が含まれる場合には白金の失活を防ぐた
め白金とルテニウム、ニッケル、鉄、コバルト、モリブ
デンなどの合金が好ましく用いられる。触媒層ｉｉにつ
いては、触媒成分として白金が好ましく使用される。

【００２３】電解質層との界面近くにおけるプロトンの
移動を充分に行わせ、ガス拡散電極に担持させた触媒の
利用効率を高める目的で、触媒層に電極触媒被覆剤（接
合剤）を形成させても良い。この電極被覆剤としては、
プロトン伝導性高分子電解質が用いることができる。

【００２４】本発明においては、高分子固体電解質膜層
の厚みが１０〜２００μｍであることが好ましい。１０
μｍ以下では高分子固体電解質の力学強度が低下するた
め電極同士のショートが生じるおそれがあり、また２０
０μｍを超えると膜抵抗が増大して電池性能が低下する
という点で不利だからである。

【００２５】この高分子固体電解質膜層は、電気化学的
安定性と膜層の含水率向上のため、下記のくり返し単位
（Ａ）及び（Ｂ）により実質的に構成されていることが
好ましい。

【００２６】

【化２】 （ここで、Ｘはスルホン酸基、または、ホスホン酸基を
有するフルオロカーボン誘導体であり、繰り返し単位数
の比は（Ａ）／（Ｂ）＝１．５〜１５である。）

【００２７】特に、この高分子固体電解質膜層は、特開
昭５６−１３９６８３号、特開昭５６−１３９６８４
号、特開平１１−１３５１３６号、特開平１１−３３９
８２４号に記載されたイオン交換膜を用いることが好ま
しい。例えば、化学式（１）において化学式（２）で表
されるＸを有する化合物が、本発明において好ましく用
いられる。

【００２８】

【化３】 （ここでｍは０または１、ｎは２〜５の整数である。）

【００２９】このほか、化学式（３）で表されるＸを有
する化合物を使用したフルオロホスホン酸型の水素イオ
ン伝導膜が好ましく用いられる。

【００３０】

【化４】 （ここでｐは０または１、ｑは２〜５の整数である。）

【００３１】本発明においては、ガス拡散電極層とし
て、炭素質粒子、及び／または、炭素質繊維を主成分と
する材料を用いることが好ましい。使用する炭素質粒子
としては、触媒との接触面積を大きくするため表面積の
大きい粒子が好ましく、直径は１０〜２００μｍが好ま
しい。また、使用する炭素繊維は分散性の良好で表面積
の大きいものが好ましく、１．１ｄｔｅｘ以下で短繊維
状のもの、及び／またはミルドファイバーが好ましく使
用される。

【００３２】またガス拡散電極層の厚みは１ｍｍ以下で
あることが好ましい。１ｍｍを超える厚さでは生成する
水の抜けが悪化し、ガスの流入を妨げるという点で不利
だからである。

【００３３】このようにして得た固体高分子型燃料電池
を直列、及び／または、並列に接続して形成して、固体
高分子型燃料電池モジュールとすることができる。

【００３４】本発明の固体高分子型燃料電池は、中空形
状のガス拡散電極層ｉとして炭素質チューブを用い、そ
の外周に高分子固体電解質膜層を形成し、さらに、該高
分子固体電解質膜層の外周にガス拡散電極層ｉｉを形成
すること、或いは、多孔質絶縁膜層として、多孔質絶縁
膜中空体を用い、その外周にガス拡散電極層ｉ、水素イ
オン伝導膜、ガス拡散電極層ｉｉを順次形成することに
よって得られる。

【００３５】炭素質チューブとは、炭素質粒子及び／ま
たは炭素質繊維とエポキシ及び／またはフェノール系樹
脂を溶媒に分散させてチューブ状に固め、熱硬化後焼成
して成形したものを指す。この場合、炭素繊維をその内
側の層の外周（電極層ｉの場合は多孔質絶縁膜中空体の
外周、電極層ｉｉの場合は高分子固体電解質膜層あるい
は触媒層ｉｉが存在する場合には触媒層ｉｉの外周）に
巻回して、ガス拡散電極層を形成させても良く、あるい
は、炭素質粒子を溶媒で流動可能な流動体としたもの
を、その内側の層の外周に塗布し、その後、溶媒を除去
することによって、ガス拡散電極層を形成させても良
い。

【００３６】その際、流動体とするときの溶媒として
は、揮発性、取扱性からメタノール、エタノール、ｎ−
プロパノール、イソプロピルアルコール、ｔｅｒｔ−ブ
チルアルコールなどの炭化水素アルコール溶媒、あるい
は炭化水素アルコール溶媒と水との混合溶媒などが好ま
しい。生成する水を効率的に排出するため、ポリテトラ
フルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の懸濁液が好ましく用い
られる。溶媒を除去する方法としては、熱風を吹き付け
ることにより溶媒を揮散させる方法が簡易であり好まし
い。

【００３７】また、高分子固体電解質膜層は既存の膜を
使用しても良く、また高分子固体電解質膜を形成する化
合物を溶媒で流動可能な流動体とし、その流動体を高分
子固体電解質膜層の内側の層の外周（ガス拡散電極層ｉ
の外周、あるいは触媒層ｉが存在する場合には触媒層ｉ
の外周）に塗布し、その後、溶媒を除去して、高分子固
体電解質膜層を形成させても良い。

【００３８】また、ガス拡散電極層ｉと高分子固体電解
質膜層との間に触媒層ｉを、高分子固体電解質膜層とガ
ス拡散電極層ｉｉとの間に触媒層ｉｉを形成するに際し
ては、触媒を溶媒で流動可能な流動体としてその内側の
層（触媒層ｉの場合は電極層ｉ、触媒層ｉｉの場合は高
分子固体電解質膜層）の外周に塗布し、その後、溶媒を
除去することによって、均一な触媒層を簡便に形成させ
ることができる。

【００３９】また、本発明の固体高分子型燃料電池は以
下の製造方法で製造可能である。即ち、ガス拡散電極層
ｉとなる炭素質粒子ｉと、高分子固体電解質膜層となる
化合物と、ガス拡散電極層ｉｉとなる炭素質粒子ｉｉと
を、それぞれ溶媒を使用して流動可能な流動体とし、炭
素質粒子ｉの流動体、炭素質粒子ｉの流動体の外周に高
分子固体電解質膜層となる化合物の流動体、および該高
分子固体電解質膜層となる化合物の流動体の外周に炭素
質粒子ｉｉの流動体を、ノズルより吐出して、中空積層
構造となるように成型する製造方法である。

【００４０】この場合、触媒を溶媒で流動可能な状態と
した触媒流動体を、炭素質粒子ｉの流動体と高分子固体
電解質膜層となる化合物の流動体との間、及び、高分子
固体電解質膜層となる化合物の流動体と炭素質粒子ｉｉ
の流動体との間に、吐出して、触媒層ｉ、触媒層ｉｉを
形成することができる。

【００４１】また、多孔質絶縁膜層を形成する化合物を
溶媒で流動可能な状態とし、炭素質粒子ｉの流動体の内
周、または／及び、炭素質粒子ｉｉの流動体の外周に吐
出して、多孔質絶縁膜層を形成することもできる。

【００４２】また、本発明の固体高分子型燃料電池は以
下の別の製造方法でも製造が可能である。即ち、中空形
状を有する多孔質絶縁膜層を、炭素質粒子ｉの流動体の
内周、または／及び、炭素質粒子ｉｉの流動体の外周
に、炭素質粒子ｉの流動体、炭素質粒子ｉの流動高分子
固体電解質膜となる化合物の流動体、炭素質粒子ｉｉの
流動体と共に、吐出して、一体押し出し成形するのが製
造方法上最も簡便であり好ましい。

【００４３】

【発明の実施の形態】次に、本願発明を図に従って、説
明する。

【００４４】図１に本発明の実施の一形態の燃料電池の
一部を切り取り内部断面の斜視図を示す。

【００４５】図１において、１は中空の固体高分子電解
質層（水素イオン伝導膜層）であり、この高分子電解質
層１の内面に、ガス拡散電極ｉである負極２を形成し、
外面にガス拡散電極ｉｉである正極３を形成する。負極
２には負極端子４を、正極３には正極端子５をとり、上
記負極２を形成した中空の高分子電解質１の内面に燃料
である水素を、また、正極３を形成した外面に酸化剤で
ある空気を供給し、単位電池を構成する。

【００４６】図２に本発明の別の実施の形態を示す。

【００４７】図２において、多孔質絶縁膜層２０は中空
形状の単位電池の最内層を形成し、その外側に負極２で
あるガス拡散電極ｉ、高分子電解質層１、正極３として
ガス拡散電極ｉｉがあって、図１の単位電池同様、上記
負極２の内面に燃料である水素を、また、正極３を形成
した外面に酸化剤である空気を供給し、単位電池を構成
する。

【００４８】図３に本発明の別の実施の形態を示す。図
３においては、ガス拡散電極層ｉ２と該ガス拡散電極層
の外周に形成された高分子固体電解質膜層１との間に、
触媒層ｉ３０が形成されており、さらに高分子固体電解
質膜層と該高分子固体電解質膜層の外周に形成されたガ
ス拡散電極層ｉｉ３との間に、触媒層ｉｉ３１が形成さ
れて単位電池が構成されている。

【００４９】図４に本願発明の固体高分子型燃料電池モ
ジュールの一形態を示す。

【００５０】図４において３個の単位電池の正極端子４
と負極端子５をそれぞれ束ねて並列接続を行い、並列接
続電池群を構成する。さらに、並列接続電池群を他の並
列接続電池群と直列接続を行う。

【００５１】図５に本発明の固体高分子型燃料電池をケ
ーシングした電池の一例の断面図を示す。図５において
中空の高分子電解質層１の両側に負極２と正極３を形成
して発電部６とする。発電部６の中空の高分子電解質層
の外面には酸化剤としての空気を供給し、中空の高分子
電解質層の内面には燃料としての水素を供給する。

【００５２】次に、本願発明の固体高分子型燃料電池の
製造方法の一例を図面に従って説明する。

【００５３】図６は、本願発明の固体高分子型燃料電池
を、ガス拡散電極層ｉとなる炭素質チューブ上に水素イ
オン伝導膜を形成し、さらにその上に炭素繊維を巻回し
て製造する手順例を示したものであり、炭素質チューブ
上６０に触媒層ｉ３０を、次に水素イオン伝導膜１を、
触媒層ｉｉ３１を順に形成し、最後にＰＴＦＥによる撥
水処理を施した炭素繊維を巻回するか、巻回後ＰＴＦＥ
ディスパージョンをスプレーして撥水処理を行って、ガ
ス拡散電極層ｉｉとなる炭素繊維巻き回し層６１を形成
する。

【００５４】図７は、図６の製造方法の積層工程例を示
す図であり、炭素質チューブ６０を上方から順に触媒
ｉ、固体高分子電解質ポリマー、触媒ｉｉ、炭素質粒子
の各層の成分を適切な溶媒を使用して流動可能な流動体
としたもの（図中それぞれ７１、７２、７３、７４で示
される）を満たした漏斗状の容器を通過させ、通過の都
度熱風７５により溶媒を揮散せしめることで層状態を形
成して完成する。

【００５５】図８は、本願発明の固体高分子型燃料電池
の別の製造方法例を示したものであり、多孔質絶縁膜と
なる化合物、炭素質粒子、触媒、固体高分子電解質ポリ
マーを適切な溶媒を使用して流動可能な流動体とし、内
層から多孔質絶縁膜、炭素質粒子より成るガス拡散層
ｉ、触媒層ｉ、固体高分子電解質ポリマー、触媒層ｉ
ｉ、炭素質粒子より成るガス拡散層ｉｉの各層を一体押
し出し成型するものである。押し出しノズル８０から各
流動体を押し出すことによって一体成型体８１を得る。
絶縁膜が曳糸性のため、各成分の流動体の粘度を適正化
することにより、連続的に多層状態を形成することが可
能となる。押し出し後、加熱することにより溶媒を揮散
せしめ、多層状態を固定化する。

【００５６】図９は、本願発明の固体高分子型燃料電池
の別の製造方法例を示したものであり、中空形状を有す
る多孔質絶縁膜層９０を、それを中心軸として、内層か
ら、炭素質粒子より成るガス拡散層ｉ、触媒層ｉ、固体
高分子電解質電解質ポリマー、触媒層ｉｉ、炭素質粒子
より成るガス拡散層ｉｉを溶媒を使用して流動可能な流
動体と共に一体押し出し成形する方法である。中心軸が
中空糸のため、図８の場合と比較して糸形成がさらに容
易となる。

【００５７】図１０は、図９の製造方法で得られるもの
と同じ構成の燃料電池を、一体成型の替わりに各層を順
次積層して製造する方法の工程例を示す図であり、炭素
質粒子、触媒、固体高分子電解質ポリマーを適切な溶媒
を使用して流動可能な流動体とし、多孔質絶縁膜を上方
から順に炭素質粒子より成るガス拡散層ｉ、触媒層ｉ、
固体高分子電解質ポリマー、触媒層ｉｉ、炭素質粒子よ
り成るガス拡散層ｉｉの各層の成分を適切な溶媒を使用
して流動可能な流動体としたもの（図中それぞれ９１、
７１、７２、７３、７４で示される）を満たした漏斗状
の容器を通過させ、通過の都度熱風による溶媒を揮散せ
しめることで多層状態を形成する。

【００５８】ここで適切な溶媒としては、前記図７に示
した方法と同じものを用いることができる。炭素質流動
体９１に用いる溶媒は炭素質流動体７４に用いるものと
同じものでも異なっていても良い。

【００５９】

【発明の効果】以上のように本発明の構成によれば、燃
料電池のコスト低減のネックとなっていたガスケットお
よびセパレーターが不要となるため、大幅なコストダウ
ンが可能となる。また、構造を簡素化したことから、小
型化が可能な固体高分子型燃料電地を提供できる。本発
明の固体高分子型燃料電池は特開平９−２２３５０７号
公報で提案された固体高分子型燃料電池に比較して多孔
質絶縁膜層を有するため強度に優れ、かつ賦形が容易で
あるという特徴を有する。また、中空形状のガス拡散電
極層ｉの内径を０．５〜１０ｍｍとしたため均一性が向
上し、安定した性能の固体高分子型燃料電池を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の一例を示す斜視図である。

【図２】本発明の燃料電池の別の一例を示す斜視図であ
る。

【図３】本発明の燃料電池の別の一例を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明の燃料電池モジュールの一例を示す斜視
図である。

【図５】本発明の燃料電池をケーシングした一例を示す
断面図である。

【図６】本発明の固体高分子電解質膜を用いた燃料電池
の製造方法の一例を示す概念図である。

【図７】図６の製造方法における積層工程の一例を示す
概念図である。

【図８】本発明の固体高分子電解質膜を用いた燃料電池
の製造方法の別の一例を示す概念図である。

【図９】本発明の固体高分子電解質膜を用いた燃料電池
の製造方法の別の一例を示す概念図である。

【図１０】本発明の固体高分子電解質膜を用いた燃料電
池の製造方法における積層工程の別の一例を示す概念図
である。

【符号の説明】

１ 固体高分子電解質 ２ 負極（ガス拡散電極層ｉ） ３ 正極（ガス拡散電極層ｉｉ） ４ 負極端子 ５ 正極端子 ６ 発電部 ７ ケース ２０ 多孔質絶縁膜層 ３０ 触媒層ｉ ３１ 触媒層ｉｉ ６０ 炭素質チューブ ６１ 炭素繊維巻き回し層 ７１ 触媒ｉ流動体 ７２ 固体高分子電解質ポリマー流動体 ７３ 触媒ｉｉ流動体 ７４ 炭素質粒子流動体 ７５ 熱風 ８０ 押し出しノズル ８１ 一体成型体 ９０ 多孔質絶縁膜中空体 ９１ 炭素質粒子流動体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浜田 光夫 広島県大竹市御幸町20番１号 三菱レイヨ ン株式会社中央技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB06 BB08 EE03 EE05 HH03 HH04 5H026 AA06 BB04 CV02 CX06 EE05 EE17 EE19 HH03 HH04

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内径０．５〜１０ｍｍの中空形状のガス
   拡散電極層ｉと、該ガス拡散電極層ｉの外周に形成され
   た高分子固体電解質膜層と、該高分子固体電解質膜層の
   外周に形成されたガス拡散電極層ｉｉを有することを特
   徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 【請求項２】 中空形状のガス拡散電極層ｉと、該ガス
   拡散電極層ｉの外周に形成された高分子固体電解質膜層
   と、該高分子固体電解質膜層の外周に形成されたガス拡
   散電極層ｉｉを有し、かつ、ガス拡散電極層ｉの内周お
   よび／またはガス拡散電極層ｉｉの外周に形成された多
   孔質絶縁膜層を有することを特徴とする固体高分子型燃
   料電池。
3. 【請求項３】 ガス拡散電極層ｉの内径が０．５〜１０
   ｍｍである請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
4. 【請求項４】 多孔質絶縁膜層の空孔率が２０〜８０％
   である請求項２または３に記載の固体高分子型燃料電
   池。
5. 【請求項５】 多孔質絶縁膜層の膜厚が１００μｍ以下
   である請求項２〜４のいずれか一項に記載の固体高分子
   型燃料電池。
6. 【請求項６】 多孔質絶縁膜層が、鎖状ポリオレフィ
   ン、環状ポリオレフィン及び主鎖もしくは側鎖にベンゼ
   ン環を含む芳香族ポリマーからなる群から選ばれた少な
   くとも一つの化合物、及び／または、該化合物のポリマ
   ーが部分フッ素化もしくは全フッ素化された化合物から
   なる請求項２〜５のいずれか一項に記載の固体高分子型
   燃料電池。
7. 【請求項７】 ガス拡散電極層ｉと該ガス拡散電極層ｉ
   の外周に形成された高分子固体電解質膜層との間に、触
   媒層ｉを有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の固
   体高分子型燃料電池。
8. 【請求項８】 高分子固体電解質膜層と該高分子固体電
   解質膜層の外周に形成されたガス拡散電極層ｉｉとの間
   に、触媒層ｉｉを有する請求項１〜７のいずれか一項に
   記載の固体高分子型燃料電池。
9. 【請求項９】 高分子固体電解質膜層の厚みが１０〜２
   ００μｍである請求項１〜８のいずれか一項に記載の固
   体高分子型燃料電池。
10. 【請求項１０】 高分子固体電解質膜層が、化学式１の
    繰り返し単位（Ａ）及び（Ｂ）により実質的に構成され
    る請求項１〜９のいずれか一項に記載の固体高分子型燃
    料電池。 【化１】 （ここで、Ｘはスルホン酸基、または、ホスホン酸基を
    有するフルオロカーボン誘導体であり、繰り返し単位数
    の比は（Ａ）／（Ｂ）＝１．５〜１５である。）
11. 【請求項１１】 ガス拡散電極層ｉおよび／またはガス
    拡散電極層ｉｉが炭素質粒子および／または炭素質繊維
    を主成分とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の
    固体高分子型燃料電池。
12. 【請求項１２】 ガス拡散電極層ｉおよび／またはガス
    拡散電極層ｉｉの厚みが１ｍｍ以下である請求項１〜１
    １のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
13. 【請求項１３】 請求項１〜１２いずれか一項に記載の
    固体高分子型燃料電池を直列および／または並列に接続
    して形成することを特徴とする固体高分子型燃料電池モ
    ジュール。
14. 【請求項１４】 中空形状のガス拡散電極層ｉとして炭
    素質チューブを用い、その外周に高分子固体電解質膜層
    を形成し、さらに、該高分子固体電解質膜層の外周にガ
    ス拡散電極層ｉｉを形成することを特徴とする固体高分
    子型燃料電池の製造方法。
15. 【請求項１５】 多孔質絶縁膜層として多孔質絶縁膜中
    空体を用い、その外周にガス拡散電極層ｉ、高分子固体
    電解質膜層およびガス拡散電極層ｉｉを順次形成するこ
    とを特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。
16. 【請求項１６】 炭素繊維を、多孔質絶縁膜中空体の外
    周に巻回して、ガス拡散電極層ｉを形成する請求項１５
    記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
17. 【請求項１７】 炭素繊維を、ガス拡散電極層ｉｉの内
    側の層の外周に巻回して、ガス拡散電極層ｉｉを形成さ
    せる請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の固体高分
    子型燃料電池の製造方法。
18. 【請求項１８】 炭素質粒子を溶媒で流動可能な流動体
    としたものを多孔質絶縁膜中空体の外周に塗布し、その
    後、溶媒を除去することによって、ガス拡散電極層ｉを
    形成させる請求項１５記載の固体高分子型燃料電池の製
    造方法。
19. 【請求項１９】 炭素質粒子を溶媒で流動可能な流動体
    としたものを、ガス拡散電極層ｉｉの内側の層の外周に
    塗布し、その後、溶媒を除去することによって、ガス拡
    散電極層ｉｉを形成させる請求項１４、１５、１６また
    は１８に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
20. 【請求項２０】 高分子固体電解質膜層を形成する化合
    物を溶媒で流動可能な流動体とし、高分子固体電解質膜
    層の内側の層の外周にその流動体を塗布し、その後、溶
    媒を除去して、高分子固体電解質膜層を形成させる請求
    項１４〜１９いずれか一項に記載の固体高分子型燃料電
    池の製造方法。
21. 【請求項２１】 ガス拡散電極層ｉと高分子固体電解質
    膜層との間に触媒層ｉを、高分子固体電解質膜層とガス
    拡散電極層ｉｉとの間に触媒層ｉｉを形成する請求項１
    ４〜２０いずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池の
    製造方法。
22. 【請求項２２】 触媒を溶媒で流動可能な流動体とし、
    それを、ガス拡散電極層ｉの外周に塗布し、その後、溶
    媒を除去して、触媒層ｉを形成させる請求項２１記載の
    固体高分子型燃料電池の製造方法。
23. 【請求項２３】 触媒を溶媒で流動可能な流動体とし、
    それを、高分子固体電解質膜層の外周に塗布し、その
    後、溶媒を除去して、触媒層ｉｉを形成する請求項２１
    または２２に記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
24. 【請求項２４】 ガス拡散電極層ｉとなる炭素質粒子ｉ
    と、高分子固体電解質膜層となる化合物と、ガス拡散電
    極層ｉｉとなる炭素質粒子ｉｉとを、それぞれ溶媒を使
    用して流動可能な流動体とし、炭素質粒子ｉの流動体、
    炭素質粒子ｉの流動体の外周に高分子固体電解質膜層と
    なる化合物の流動体、および該高分子固体電解質膜層と
    なる化合物の流動体の外周に炭素質粒子ｉｉの流動体
    を、ノズルより吐出して、中空積層構造となるように成
    型することを特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方
    法。
25. 【請求項２５】 触媒を溶媒で流動可能な状態とした触
    媒流動体を、炭素質粒子ｉの流動体と高分子固体電解質
    膜層となる化合物の流動体との間、及び、高分子固体電
    解質膜層となる化合物の流動体と炭素質粒子ｉｉの流動
    体との間に吐出して触媒層ｉおよび触媒層ｉｉをそれぞ
    れ形成する請求項２４記載の固体高分子型燃料電池の製
    造方法。
26. 【請求項２６】 多孔質絶縁膜層を形成する化合物を溶
    媒で流動可能な状態とし、これを炭素質粒子ｉの流動体
    の内周または／および炭素質粒子ｉｉの流動体の外周に
    吐出して、多孔質絶縁膜層を形成する請求項２４または
    ２５記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
27. 【請求項２７】 中空形状を有する多孔質絶縁膜層を、
    炭素質粒子ｉの流動体の内周および／または炭素質粒子
    ｉｉの流動体の外周に、炭素質粒子ｉの流動体、高分子
    固体電解質膜となる化合物の流動体および炭素質粒子ｉ
    ｉの流動体と共に吐出して、一体押し出し成形すること
    を特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。