JP5551538B2

JP5551538B2 - 炭素繊維多重織布及びその製造方法並びにシート状燃料電池

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Publication number: JP5551538B2
Application number: JP2010169458A
Authority: JP
Inventors: 俊樹小山; 大智上脇
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: JP2012031526A

Description

本発明は、炭素繊維多重織布及びその製造方法、前記炭素繊維多重織布を集電層に用いたシート状燃料電池に関するものである。

携帯電話やノート型のパーソナルコンピュータの電源として、ジャンパー等に着用できるウェアラブルな燃料電池が、例えば下記特許文献１に開示されている。かかる燃料電池は、略平板状に形成された筐内にアノード（燃料極）、固体高分子電解質膜及びカソード（酸素極）が配設された単一燃料電池を複数平面状に並べ、各単一燃料電池の両極に配設された集電体から伸びるリード部を直列に接続し、着衣や装身具に着用可能としたものである。

特開２００５−１１６２９２号公報

前述したウェアラブルな燃料電池によれば、着衣等に装着した燃料電池の電力を利用して携帯電話やノート型のパーソナルコンピュータを駆動することができる。しかしながら、複数の単一燃料電池を直列に接続するリード部は、着衣等の動きに伴って何回も曲折されて破断されるおそれがある。また、最近、検討されている介護ロボットやパワースーツの電源として用いることのできる燃料電池としては、軽量で且つ曲折可能であって、曲折に対して高い耐久性を有する燃料電池が必要である。

この様に、軽量で且つ曲折可能であって、曲折に対して高い耐久性を有する燃料電池には、燃料電池の両極側に配設される集電体も、軽量で且つ曲折可能であって、曲折に対して高い耐久性を有することが必要である。

本発明は前記の課題を解決するためになされたものであって、軽量で且つ曲折可能であり、曲折に対して高い耐久性を有する集電層として用いることのできる、大面積で連続的に一体形成可能な炭素繊維多重織布及びこの製造方法、かかる炭素繊維多重織布を用いたシート状燃料電池を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された炭素繊維多重織布は、複数の単一燃料電池が電気的に直列に接続されたシート状燃料電池の集電層として用いられている織布は、緯糸としての炭素繊維糸条が所定間隔で配された経糸としての電気絶縁性糸条で互いに接触するように拘束された所定長の二枚の炭素繊維織布が、所定間隔で前記緯糸に平行に配されて前記経糸で拘束された導電部を介して一体化されている炭素繊維多重織布であって、前記導電部で仕切られた複数の仕切部の各々は、電解質層の一方の面に酸素含有ガスが供給される酸素極と前記電解質層の他方の面に燃料が供給される燃料極とが対向して形成された電解質膜が、前記酸素極が同一方向に向くように装入され、前記酸素極と前記燃料極とが対応する前記炭素繊維織布に接触して単一燃料電池が形成される装入部であり、且つ複数の前記単一燃料電池が形成されたとき、隣接する前記単一燃料電池同士が直列に接続されるように、隣接する前記仕切部の各々に、前記酸素極に接触する前記炭素繊維織布同士と前記燃料極に接触する前記炭素繊維織布同士とを絶縁する電気絶縁部が前記導電部に接触して形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載された炭素繊維多重織布は、請求項１に記載されたものであって、前記導電部が、炭素繊維糸条又は導電性テープ糸によって形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載された炭素繊維多重織布は、請求項１に記載されたものであって、前記電気絶縁部が、電気絶縁糸又は電気絶縁テープ糸であって、前記導電部近傍に形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載された炭素繊維多重織布は、請求項１に記載されたものであって、前記経糸が、二本の緯糸が接触状態で拘束されるように所定間隔で配されていることを特徴とする。

請求項５に記載された炭素繊維多重織布の製造方法は、緯糸としての炭素繊維糸条を所定間隔で配した経糸としての電気絶縁性糸条で互いに接触するように拘束した二枚の炭素繊維織布を所定長製織した後、前記二枚の炭素繊維織布を所定間隔で前記炭素繊維糸条に平行に配して前記経糸で拘束した導電部を介して一体化しつつ、前記導電部で仕切った複数の仕切部を形成し、その際に、前記仕切部の各々に、電解質層の一方の面に酸素含有ガスが供給される酸素極と前記電解質層の他方の面に燃料が供給される燃料極とが対向して形成された電解質膜を、前記酸素極が同一方向に向くように装入し、前記酸素極と前記燃料極とが対応する前記炭素繊維織布に接触して複数の単一燃料電池を形成したとき、隣接する前記単一燃料電池同士を直列に接続すべく、隣接する前記仕切部の各々に、前記酸素極に接触する前記炭素繊維織布同士と前記燃料極に接触する前記炭素繊維織布同士とを絶縁する電気絶縁部を前記導電部に接触して形成することを特徴とする。

請求項６に記載された炭素繊維多重織布の製造方法は、請求項５に記載されたものであって、前記炭素繊維織布を、ジャカート織機を用いて製織することを特徴とする。

請求項７に記載された炭素繊維多重織布の製造方法は、請求項５に記載されたものであって、前記導電部を、炭素繊維糸条又は導電性テープ糸によって形成することを特徴とする。

請求項８に記載された炭素繊維多重織布の製造方法は、請求項５に記載されたものであって、前記電気絶縁部を、電気絶縁糸又は電気絶縁テープ糸であって、前記導電部近傍に形成することを特徴とする。

請求項９に記載された炭素繊維多重織布の製造方法は、請求項５に記載されたものであって、前記経糸を、二本の緯糸を接触状態で拘束するように所定間隔で配していることを特徴とする。

請求項１０に記載されたシート状燃料電池は、複数の単一燃料電池が電気的に直列に接続されたシート状燃料電池であって、前記燃料電池の集電層には、緯糸としての炭素繊維糸条が所定間隔で配された経糸としての電気絶縁性糸条で互いに接触するように拘束された所定長の二枚の炭素繊維織布が、所定間隔で前記炭素繊維糸条に平行に配されて前記経糸で拘束された導電部を介して一体化されている炭素繊維多重織布が用いられ、前記炭素繊維多重織布の前記導電部で仕切られた複数の仕切部の各々に、電解質層の一方の面に酸素含有ガスが供給される酸素極と前記電解質層の他方の面に燃料が供給される燃料極とが対向して形成された電解質膜が、前記酸素極が同一方向に向くように装入され、前記酸素極と前記燃料極とが対応する前記炭素繊維織布に接触して単一燃料電池が形成されており、且つ隣接する前記単一燃料電池同士が直列に接続されるように、隣接する前記仕切部の各々に、前記酸素極に接触する前記炭素繊維織布同士と前記燃料極に接触する前記炭素繊維織布同士とを絶縁する電気絶縁部が前記導電部に接触して形成されていることを特徴とする。

請求項１１に記載されたシート状燃料電池は、請求項１０に記載されたものであって、前記単一燃料電池が、前記仕切部を形成する部分に緯糸として引き込まれた前記電解質膜に、前記導電部及び電気絶縁糸条が緯糸として引き込まれて形成されていることを特徴とする。

請求項１２に記載されたシート状燃料電池は、請求項１０に記載されたものであって、前記導電部が、炭素繊維糸条又は導電性テープ糸によって形成されていることを特徴とする。

請求項１３に記載されたシート状燃料電池は、請求項１０に記載されたものであって、前記電気絶縁部が、電気絶縁糸又は電気絶縁テープ糸であって、前記導電部近傍に形成されていることを特徴とする。

請求項１４に記載されたシート状燃料電池は、請求項１０に記載されたものであって、前記経糸が、二本の緯糸が接触状態で拘束されるように所定間隔で配されていることを特徴とする。

請求項１５に記載されたシート状燃料電池は、請求項１０に記載されたものであって、電解質膜の燃料極側に、ゼリー状のメタノールが配されていることを特徴とする。

本発明に係る炭素繊維多重織布に形成された複数の装着部の各々に、電解質膜を酸素極が同一方向に向くように装着することによって単一燃料電池を形成できる。このため、形成された複数の単一燃料電池が炭素繊維織布によって直列に接続された本発明に係るシート状燃料電池は、可撓性を向上でき、且つ繰り返しの曲折に対する耐久性を向上できる。従って、本発明に係るシート状燃料電池は、その酸素極が常に空気と接触できるように外側に向けて着衣等に装着でき、且つ出力電圧を単一燃料電池の合計電圧とすることができる。その結果、本発明に係るシート状燃料電池は、携帯電話やノート型のパーソナルコンピュータの電源としては勿論のこと、介護ロボットやパワースーツの電源として用いることが可能である。また、本発明に係るシート状燃料電池は、カーテン、アコーディオンカーテン或いはテント等としても使用可能である、大面積で且つ可撓性を呈するシート状電池に形成することも可能である。

本発明に係るシート状燃料電池の一例を説明する縦断面図である。図１に示すシート状燃料電池を構成する炭素繊維織布１２ａを説明する正面図である。図１に示すシート状燃料電池を構成する炭素繊維多重織物の導電部近傍の構造を説明する説明図である。図１に示すシート状燃料電池に用いられる電解質膜２２を説明する断面図である。ジャカート織機の概要を説明する説明図である。ジャカート織機において、電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂの引き揃い状態を説明する説明図である。電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂに形成される杼口と炭素繊維織布１２ａ，１２ｂとの関係を説明する説明図である。高分子フィルム３０の端部と炭素繊維織布１２ｂとの接着状態を説明する部分断面図である。図８に示す高分子フィルム３０の端部と炭素繊維織布１２ｂとの接着状態を改善した状態を説明する部分断面図である。本発明に係るシート状燃料電池の他の例を説明する部分断面図である。本発明に係るシート状燃料電池の他の例を説明する部分断面図である。

本発明に係るシート状燃料電池の一例を図１及び図２に示す。図１はシート状燃料電池１０の断面図であり、図２はシート状燃料電池１０の上面側（酸素極側、＋極側）から見える炭素繊維織布１２ａの状態を示す。かかるシート状燃料電池１０は、その断面図（図１）に示す様に、複数の単一燃料電池１０ａ，１０ｂ，１０ｃが電気的に直列に接続されている。このシート状燃料電池１０では、集電層として、炭素繊維多重織布が用いられている。かかる炭素繊維多重織布は、図１に示す様に、二枚の炭素繊維織布１２ａ，１２ｂから構成されている。炭素繊維織布１２ａは、図１及び図２に示す様に、緯糸と経糸とから形成される。緯糸としては、炭素繊維糸条１４，１４・・（以下、炭素繊維緯糸１４，１４・・と称することがある）及び電気絶縁糸２４ａ，２４ａ・・（以下、電気絶縁緯糸２４ａ，２４ａ・・と称することがある）が用いられている。また、経糸としては、電気絶縁性糸条２０ａ，２０ａ・・（以下、電気絶縁経糸２０ａ，２０ａ・・と称することがある）が用いられている。電気絶縁緯糸２４ａ，２４ａ・・から構成される部分は、電気絶縁部２４である。更に、電気絶縁経糸２０ａ，２０ａ・・は、二本の緯糸（炭素繊維緯条１４，１４同士、炭素繊維緯糸１４と電気絶縁緯糸２４ａ、電気絶縁緯糸２４ａ，２４ａ同士）が互いに接触状態で拘束されるように所定間隔で配されている。図２に示す炭素繊維織布１２ａは、電気絶縁経糸２０ａ，２０ａ・・が斜目に浮き出す斜文織である。

かかる炭素繊維織布１２ａと対応する炭素繊維織布１２ｂは、図２に示す炭素繊維織布１２ａと略同様な糸使いであり、その一部分を図３に示す。図３に示す様に、炭素繊維織布１２ｂは、炭素繊維緯糸１４，１４・・と電気絶縁緯糸２４ａ，２４ａ・・と経糸としての電気絶縁性糸条２０ｂ，２０ｂ・・（以下、電気絶縁経糸２０ｂ，２０ｂ・・と称することがある）とから形成される。電気絶縁緯糸２４ａ，２４ａ・・から構成される部分は、電気絶縁部２４である。また、電気絶縁経糸２０ｂ，２０ｂ・・は、二本の緯糸（炭素繊維緯条１４，１４同士、炭素繊維緯糸１４と電気絶縁緯糸２４ａ、電気絶縁緯糸２４ａ，２４ａ同士）が互いに接触状態で拘束されるように所定間隔で配されている。炭素繊維織布１２ｂも、斜文織である。尚、図１及び図２において、炭素繊維緯糸１４と電気絶縁緯糸２４ａとを区別するため、炭素繊維緯糸１４をハッチングで示し、電気絶縁緯糸２４ａを白抜で示した。

この二枚の炭素繊維織布１２ａ，１２ｂは、導電部１８，１８及びその近傍の構造を説明する説明図である図３に示す様に、所定間隔で炭素繊維糸条１４に平行に配設された二本の炭素繊維緯糸１８ａ，１８ａから成る導電部１８，１８と電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂとによって一体化されている。ここで用いる炭素繊維緯糸１４や炭素繊維緯糸１８ａとしては、ＰＡＮ系炭素繊維から成る糸であってもよく、ピッチ系炭素繊維から成る糸であってもよい。尚、炭素繊維緯糸１８ａも、電気絶縁緯糸２４ａと区別すべく、ハッチングで示すと共に、炭素繊維緯糸１４とも区別すべく、ハッチングの向きを変更している。

二枚の炭素繊維織布１２ａ，１２ｂを一体化する導電部１８，１８では、図３（ａ）に示す様に、炭素繊維織布１２ａに用いられた電気絶縁経糸２０ａ，２０ａ・・と、炭素繊維織布１２ｂに用いられた電気絶縁経糸２０ｂ，２０ｂ・・とが、導電部１８を構成する炭素繊維緯糸１８ａ，１８ａの各々と交差している。また、図３（ｂ）に示す様に、炭素繊維織布１２ａ，１２ｂに用いられた電気絶縁経糸２０ａ，２０ａ・・と電気絶縁経糸２０ｂ，２０ｂ・・とは、導電部１８の二本の炭素繊維緯糸１８ａ，１８ａを互いに接触状態で拘束するように交差している。かかる図３（ａ）に示す構造と図３（ｂ）に示す構造とは、電気絶縁経糸２０ａ，２０ａ・・（電気絶縁経糸２０ｂ，２０ｂ・・）の各々の長手方向に形成された導電部１８，１８で交互に出現する。また、導電部１８，１８の各幅方向にも、図３（ａ）に示す構造と図３（ｂ）に示す構造とが交互に出現する。尚、ここで言う「糸条」又は「糸」とは、複数本の単繊維が糸状に集合された状態、或いはテープ状体が糸状に形成された状態をいう。

図１〜図３に示す炭素繊維織布１２ａ，１２ｂで形成された炭素繊維多重織布には、導電部１８、１８によって仕切られた複数の仕切部２１，２１・・（図３）が形成されている。この仕切部２１，２１・・の各々には電解質膜２２が装着されている。かかる電解質膜２２は、図１及び図４に示す様に、電解質層２２ａの表面に空気等の酸素含有ガスが供給される酸素極２２ｂ（＋極）と、高分子フィルム３０で形成されたタンク３２内に貯留されたメタノール等の燃料が供給される燃料極２２ｃ（−極）とが対向して形成されている。この電解質層２２ａとしては、公知の固体高分子電解質膜を採用できるが、パーフルオロスルフォン酸系の固体高分子電解質膜を好適に使用できる。パーフルオロスルフォン酸系の固体高分子電解質膜としては、例えばデュポン株式会社のNafion（登録商標）、旭化成株式会社のAciplex（登録商標）、旭硝子株式会社のFlemion（登録商標）を挙げることができる。また、炭化水素系の固体高分子電解質膜も用いることができ、株式会社トクヤマのＣ２０１，Ｃ５０１，Ｃ２２０（製品名）を挙げることができる。かかる電解質層２２ａの酸素極２２ｂには、図４に示す様に、表面に触媒２５としての白金(Pt)粒子を担持したカーボン粒子２３が、電解質層２２ａと同様の組成の接着剤によって付着されている。また、電解質層２２ａの燃料極２２ｃにも、図４に示す様に、表面に触媒２９としての白金(Pt)とルテニウム(Ru)との合金粒子２９を担持したカーボン粒子２７が、電解質層２２ａと同一の組成の接着剤によって付着されている。尚、触媒２５，２９は、カーボン粒子に担持することなく単独で電解質層２２ａに付着してもよく、白金(Pt)に代えてバナジウムを用いてもよい。

図４に示す電解質膜２２は、図１〜図３に示す炭素繊維多重織布の仕切部２１，２１・・の各々に、その酸素極２２ｂ（燃料極２２ｃ）が同一方向を向くように装着され、複数の単一燃料電池１０ａ、１０ｂ、１０ｃが形成されている。このため、単一燃料電池１０ａ，１０ｂ，１０ｃを直列に接続するには、隣接する単一燃料電池同士を直列に接続する。例えば、図１に示す様に、隣接する単一燃料電池１０ａ，１０ｂ間の導電部１８で一体化される炭素繊維織布１２ａ，１２ｂのうち、単一燃料電池１０ａの酸素極２２ｂ（＋極）と接触する炭素繊維織布１２ａを、その導電部１８近傍に複数本の電気絶縁緯糸２４ａ，２４ａ・・を配して電気絶縁部２４を形成し、単一燃料電池１０ａの燃料極２２ｃ（−極）と接触する炭素繊維織布１２ｂ及び導電部１８と電気的に絶縁する。更に、単一燃料電池１０ｂの燃料極２２ｃ（−極）と接触する炭素繊維織布１２ｂを、その導電部１８近傍に複数本の電気絶縁緯糸２４ａ，２４ａ・・を配して電気絶縁部２４を形成し、単一燃料電池１０ｂの酸素極２２ｂ（＋極）と接触する炭素繊維織布１２ａ及び導電部１８と電気的に絶縁する。一方、単一燃料電池１０ａの燃料極２２ｃ（−極）と接触する炭素繊維織布１２ｂは、導電部１８を介して単一燃料電池１０ｂの酸素極２２ｂ（＋極）と接触する炭素繊維織布１２ｂと電気的に接続され、単一燃料電池１０ａ，１０ｂは直列に接続される。

また、隣接する単一燃料電池１０ｂ，１０ｃも同様にして、単一燃料電池１０ｂの燃料極２２ｃ（−極）と接触する炭素繊維織布１２ｂと単一燃料電池１０ｃの酸素極と接触する炭素繊維織布１２ａとが導電部１８を介して電気的に接続され、単一燃料電池１０ｂ，１０ｃは直列に接続される。かかる電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂ，電気絶縁緯糸２４ａとしては、電気絶縁性の糸条であればよく、汎用されているフッ素樹脂糸条、ポリエステル糸条、ナイロン糸条、ポリプロピレン糸条、アクリル糸条等を用いることができる。また、電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂに代えて、電気絶縁テープ糸を用いることができる。

図１に示すシート状燃料電池１０は、図１〜図３に示す炭素繊維多重織布を製織しつつ製造できる。かかる炭素繊維多重織布は、緯糸として炭素繊維緯糸１４と電気絶縁緯糸２４ａとを用い、経糸として電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂとを用いて、ジャカート織機によって製造できる。ジャカート織機は、図５に示す様に、ビーム５０から引き出された電気絶縁経糸２０ａ、２０ｂはローラ５２上で、図６に示す様に、電気絶縁経糸２０ａと電気絶縁糸２０ｂとが交互となるように引き揃えられている。かかる電気絶縁経糸２０ａ、２０ｂ・・の各々は、電気絶縁経糸２０ａ、２０ｂ・・の一本が断糸したとき、ジャカート機５６が停止するように設定されているピンドロッパー５４を通過し、ジャカート機５６によって上下動する通糸５８を通過する。ジャカート機５６は、コンピュータ制御されており、コンピュータ内に記憶された織図に従って、所定の通糸５８を上下動する。図５では、ジャカート機５６によって、電気絶縁経糸２０ａ，２０ａ・・のみを上下動して杼口（ひぐち）を形成する。形成した杼口に挿入した炭素繊維緯糸１８ａや電気絶縁緯糸２４ａは、筬６０を６０′の位置まで移動して筬打がされる。この様にして製織された炭素繊維多重織布は、ローラ６２を通過して巻き取られる。

図５及び図６に示すジャカート織機を用いて、炭素繊維多重織布を製織しつつ、図１に示すシート状燃料電池を製造する際には、先ず、炭素繊維織布１２ａと炭素繊維織布１２ｂとを製織する。この際に、炭素繊維織布１２ａを織製するときには、図７（ａ）に示す様に、電気絶縁経糸２０ａ，２０ａのみを上下動して形成した杼口に、炭素繊維緯糸１８ａ又は電気絶縁緯糸２４ａを挿通する。また、炭素繊維織布１２ｂを織製するときには、図７（ｂ）に示す様に、電気絶縁経糸２０ｂ，２０ｂのみを上下動して形成した杼口に、炭素繊維緯糸１８ａ又は電気絶縁緯糸２４ａを挿通する。この様にして所定長の長さに形成した炭素繊維織布１２ａ，１２ｂを一体化する。その際に、図７（ｃ）に示す様に、電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂを上下動して形成した杼口に、電解質膜２２を緯糸として挿通した後、図７（ｄ）に示す様に、電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂを上下動して形成した杼口に、炭素繊維緯糸１８ａを挿通する。

この様にして、炭素繊維緯糸１４、１４・・が電気絶縁縦糸２０ａ，２０ｂ・・によって集束された二枚の炭素繊維織布１２ａ，１２ｂを、炭素繊維緯糸１８ａ，１８ａから成る導電部１８と電気絶縁緯糸２４ａ，２４ａ・・から成る電気絶縁部２４とによって一体化しつつ、導電部１８で仕切った仕切部２１（図３）内に電解質膜２２が装着された単一燃料電池を形成できる。更に、同様にして、導電部１８，１８・・で仕切られる複数の仕切部２１，２１・・の各々に、酸素極２２ｂ（又は燃料極２２ｃ）が同一方向に向くように電解質膜２２が装着された複数の単一燃料電池１０ａ，１０ｂ，１０ｃを形成する。形成した単一燃料電池１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、導電部１８の近傍に形成されている、電気絶縁糸２４ａ，２４ａ・・で形成した電気絶縁部２４によって、直列に接続されている。

更に、単一燃料電池１０ａ，１０ｂ，１０ｃが直列に接続されている炭素繊維多重織布を熱プレスして、電解質膜２２と炭素繊維織布１２ａ，１２ｂとを一体化する。次いで、電解質膜２２の燃料極２２ｃ側に、図８に示す様に、フッ素樹脂フィルム等の高分子フィルム３０で燃料を貯留するタンク３２を形成する。高分子フィルム３０の端部が、炭素繊維織布１２ｂを構成する炭素繊維緯糸１４に当接する場合には、導電性接着剤によって両者を貼着する。また、高分子フィルム３０の端部が、炭素繊維織布１２ｂを構成する電気絶縁糸２４ａと当接する場合には、絶縁性接着剤によって両者を貼着する。この様にして形成したタンク３２内には燃料を充填する。燃料としては、メタノール、特にゼリー状のメタノールを好適に用いることができる。尚、導電性接着剤としては、炭素粒子が導電性剤として配合された導電性接着剤を用いることができる。

この様にして形成した図１に示すシート状燃料電池１０は、単一燃料電池１０ａ，１０ｂ，１０ｃの各々は、炭素繊維緯糸１８ａ，１８ａから成る導電部１８によって連結されているため、可撓性を向上でき、且つ繰り返しの曲折に対する耐久性を向上できる。従って、図１に示すシート状燃料電池１０は、その酸素極２２ｂが常に空気と接触できるように外側に向けて着衣に装着でき、且つ出力電圧を単一燃料電池１０ａ，１０ｂ，１０ｃの合計電圧とすることができる。その結果、図１に示すシート状燃料電池１０は、携帯電話やノート型のパーソナルコンピュータの電源としては勿論のこと、介護ロボットやパワースーツの電源として用いることが可能である。また、図１に示すシート状燃料電池１０は、カーテン、アコーディオンカーテン或いはテント等としても使用可能となる、大面積で且つ可撓性を呈するシート状電池に形成することも可能である。

図１に示すシート状燃料電池１０では、図８に示す様に、高分子フィルム３０の端部が、電解質膜２２の酸素極２２ｂ若しくは燃料極２２ｃに当接する炭素繊維緯糸１４又は電解質膜２２の露出面に当接する電気絶縁糸２４ａと当接して導電性接着剤又は絶縁性接着剤によって貼り付けられている。このため、タンク３２内に貯留した燃料が、炭素繊維緯糸１４又は電気絶縁糸２４ａを構成する単繊維間の隙間から漏れ出すことがある。かかる燃料の漏れを防止するためには、図９に示す様に、高分子フィルム３０の所定部分を貼着する絶縁性フィルム７４を配設することが好ましい。かかる絶縁性フィルム７４の略半分は、導電性フィルム７２の他面側に貼着されている。この導電性フィルム７２の一面側は、電解質層２２ａの露出面に当接する炭素繊維織布１２ｂの炭素繊維緯糸１４，１４・・と導電部１８を形成する炭素繊維緯糸１８ａ，１８ａとに接触した状態で導電性接着剤によって貼着されている。更に、導電性フィルム７２の残部の一面側は、炭素繊維織布１２ｂの電気絶縁糸２４ａに接触した状態で絶縁性接着剤によって貼着されている。図９に示すシート状燃料電池１０では、全体で一枚の高分子フィルム３０が用いられている。このため、高分子フィルム３０は、その絶縁性フィルム７４に対応する部分の全面が絶縁性接着剤によって貼着されて、タンク３２，３２が形成されている。形成されたタンク３２内に充填された燃料の漏れは、導電性フィルム７２及び絶縁性フィルム７４によって防止できる。しかも、導電性フィルム７２によって、導電部１８を形成する炭素繊維緯糸１８ａ及び炭素繊維織布１２ｂの炭素繊維緯糸１４との電気的な接続を確実に保持でき、シート状燃料電池１０の信頼性の向上を図ることができる。

以上、説明してきたシート状燃料電池１０では、導電部１８を炭素繊維緯糸１８ａ，１８ａで形成してきたが、図１０に示す様に、導電部１８を導電性ホットメルトから成る導電性フィルム糸（導電性ホットメルトフィルム緯糸７６と称することがある）で形成してもよい。この導電性ホットメルトフィルム緯糸７６は、導電性ホットメルトフィルムを糸条に切断して形成したものであって、ジャカート織機を用いて炭素繊維多重織布を織製する際に、緯糸として用いることができる。かかる導電性ホットメルトフィルム緯糸７６の一面側には、炭素繊維織布１２ａを形成する緯糸であって、電解質層２２ａの露出面に配されている絶縁性ホットメルトから成る絶縁性フィルム糸（絶縁性ホットメルトフィルム緯糸８０と称することがある）と導電性ホットメルトフィルム緯糸７８とに接触している。また、導電性ホットメルトフィルム緯糸７６の他面側にも、炭素繊維織布１２ｂを形成する緯糸であって、電解質層２２ａの露出面に配されている絶縁性ホットメルトフィルム緯糸８０と導電性ホットメルトフィルム緯糸７８とに接触している。絶縁性ホットメルトフィルム緯糸８０は、炭素繊維織布１２ａ，１２ｂの電気絶縁部２４を形成する。また、導電性ホットメルトフィルム緯糸７６，７８は、隣接する単一燃料電池同士の酸素極２２ｂと燃料極２２ｃとを電気的に直列に接続している。

この絶縁性ホットメルトフィルム緯糸８０は、絶縁性ホットメルトフィルムを糸条に切断して形成したものであって、ジャカート織機を用いて炭素繊維多重織布を織製する際に、緯糸として用いることができる。かかる導電性ホットメルトフィルム緯糸７６、７８及び絶縁性ホットメルトフィルム緯糸８０は、炭素繊維多重織布の炭素繊維織布１２ａ，１２ｂを熱プレスして、電解質膜２２と炭素繊維織布１２ａ，１２ｂとを一体化する際に、互いに溶着されて一体化され且つ電解質膜２２にも溶着する。この様に、一体化された導電性ホットメルトフィルム緯糸７６、７８及び絶縁性ホットメルトフィルム緯糸８０に、高分子フィルム３０，３０の各端部が接着剤によって貼着することによって、形成されたタンク３２内に充填された燃料の漏れを防止できる。尚、図１０に示すシート状燃料電池では、導電性ホットメルトフィルム緯糸７６、導電性ホットメルトフィルム緯糸７８及び絶縁性ホットメルトフィルム緯糸８０が略同一厚さに形成されているが、これらのホットメルトフィルム緯糸の厚さは異なっていてもよい。

図１〜図１０に示すシート状燃料電池１０では、炭素繊維織布１２ａ，１２ｂの各々が一重であったが、図１１に示す様に、炭素繊維織布１２ａ，１２ｂの各々を、上織１２ａ_１，１２ｂ_１と下織１２ａ_２,１２ｂ_２との二重織としてもよい。この様に、二重織としても、経糸によって所々で上織１２ａ_１と下織１２ａ_２、上織１２ｂ_１と下織１２ｂ_２とを一体化するようにすることによって上織１２ａ_１と下織１２ａ_２、上織１２ｂ_１と下織１２ｂ_２とが分離することを防止できる。また、図１１に示す様に、下織１２ａ_２,１２ｂ_２を構成する炭素繊維緯糸１４，１４の隙間に、上織１２ａ_１，１２ｂ_１を構成する炭素繊維緯糸１４が入り込むため、全体として炭素繊維緯糸１４，１４・・が互いに充分に接触し、炭素繊維織布１２ａ，１２ｂの長手方向の導電性が改善される。更に、炭素繊維織布１２ａ，１２ｂの各々を構成する上織１２ａ_１，１２ｂ_１と下織１２ａ_２,１２ｂ_２とを、構成の簡単な平織とすることもできる。

以上の説明では、ジャカート織機を用いて、炭素繊維多重織布を製織しつつ、図１に示すシート状燃料電池１０を製造する製造方法について述べてきたが、ジャカート織機を用いて炭素繊維多重織布を製織した後、シート状燃料電池１０を製造してもよい。かかるシート状燃料電池１０を製造する際には、炭素繊維多重織布の炭素繊維織布１２ａ，１２ｂを一体化する導電部１８，１８・・で仕切った複数の仕切部２１，２１・・の各々に、酸素極２２ｂ（又は燃料極２２ｃ）が同一方向に向くように電解質膜２２を挿入し、次いで、熱プレスして電解質膜２２と炭素繊維織布１２ａ，１２ｂとを一体化することによって、複数の単一燃料電池１０ａ，１０ｂ，１０ｃを形成してもよい。

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

炭素繊維糸条としてＰＡＮ系炭素繊維である東レ株式会社製のトレカＴ７０００ＳＣ１２０００−５０ｃ（商標）を炭素繊維緯糸１４及び炭素繊維緯糸１８ａの各々に用いた。また、電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂ，２４ａの各々は、東レ株式会社製のフッ素繊維トヨフロン（商標）を用いた。かかる各種の糸条をジャカート織機によって図１及び図２に示す炭素繊維多重織布を織製した。この炭素繊維多重織布では、炭素繊維緯糸１４を表用８本と裏用８本とに各々織り込んだ後、６本撚りの８本の電気絶縁緯糸２４ａを配し、更に二本の炭素繊維緯糸１８ａを配して導電部１８を形成した。更に、電気絶縁経糸２０ａ，２０ｂは、炭素繊維多重織布を形成する二枚の炭素繊維織布１２ａ，１２ｂを形成する炭素繊維糸条が互いに密着するように配設した。

次いで、織製した炭素繊維多重織布には、導電部１８で仕切られた仕切部２１が４個形成されていた。この４個の仕切部の各々に、電解質膜２２を挿入して、直列に接続された４個の単一燃料電池を形成した。また、電解質膜２２は、デュポン株式会社のNafion（登録商標）を固体高分子電解膜に用いて形成した。この電解質層２２ａの一面側には、白金(Pt)粒子を担持したカーボン粒子２３を電解質層２２ａと同様の組成の接着剤によって付着して酸素極２２ｂを形成し、電解質層２２ａの他面側には、白金(Pt)とルテニウム(Ru)との合金粒子２９を担持したカーボン粒子２７を電解質層２２ａと同様の組成の接着剤によって付着して燃料極２２ｃを形成した。かかる電解質膜２２は、仕切部２１，２１・・の各々に、その酸素極２２ｂが同一方向を向くように挿入した後、ホットプレスで熱プレスして、炭素繊維多重織布の炭素繊維織布１２ａ，１２ｂと電解質膜２２とを強固に一体化した。更に、炭素繊維多重織布の端部に、図１に示す様に、銅板によって酸素極と燃料極とを形成した。

その後、フッ素樹脂フィルムから成る高分子フィルム３０で燃料を貯留するタンク３２を形成した。高分子フィルム３０の端部が、炭素繊維織布１２ｂを構成する炭素繊維緯糸１４に当接する箇所には、炭素粒子が配合された導電性接着剤によって両者を貼着した。また、高分子フィルム３０の端部が、炭素繊維織布１２ｂを構成する電気絶縁糸２４ａと当接する箇所には、絶縁性接着剤によって両者を貼着した。この様にして形成したタンク３２内に、燃料としてゼリー状のメタノールを充填したところ、４個の単一燃料電池の各々から０．３５Ｖの起電力が認められ、銅板から成る酸素極と燃料極と間に１．４Ｖの合計起電力が認められた

本発明に係るシート状燃料電池は、携帯電話やノート型のパーソナルコンピュータの電源としては勿論のこと、介護ロボットやパワースーツの電源として用いることができる。

１０はシート状燃料電池、１０ａ，１０ｂ，１０ｃは単一燃料電池、１２ａ，１２ｂは炭素繊維織布、１２ａ_１、１２ｂ_１は上織、１２ａ_２、１２ｂ_２は下織、１４，１８ａは炭素繊維糸条（炭素繊維緯糸）、１８は導電部、２０ａ，２０ｂは電気絶縁糸（電気絶縁経糸）、２１は仕切部、２２は電解質膜、２２ａは電解質層、２２ｂは酸素極、２２ｃは燃料極、２３はカーボン粒子、２４は電気絶縁部、２４ａは電気絶縁糸（電気絶縁緯糸）、２５，２９は触媒、２７はカーボン粒子、３０は高分子フィルム、３２はタンク、５０はビーム、５２，６２はローラ、５４はピンドロッパー、５６はジャカート機、５８は通糸、６０は筬、７２，７６は導電性フィルム、７４は絶縁性フィルム、７６，７８は導電性ホットメルトフィルム緯糸、８０は絶縁性ホットメルトフィルム緯糸である。

Claims

複数の単一燃料電池が電気的に直列に接続されたシート状燃料電池の集電層として用いられている織布は、緯糸としての炭素繊維糸条が所定間隔で配された経糸としての電気絶縁性糸条で互いに接触するように拘束された所定長の二枚の炭素繊維織布が、所定間隔で前記緯糸に平行に配されて前記経糸で拘束された導電部を介して一体化されている炭素繊維多重織布であって、
前記導電部で仕切られた複数の仕切部の各々は、電解質層の一方の面に酸素含有ガスが供給される酸素極と前記電解質層の他方の面に燃料が供給される燃料極とが対向して形成された電解質膜が、前記酸素極が同一方向に向くように装入され、前記酸素極と前記燃料極とが対応する前記炭素繊維織布に接触して単一燃料電池が形成される装入部であり、
且つ複数の前記単一燃料電池が形成されたとき、隣接する前記単一燃料電池同士が直列に接続されるように、隣接する前記仕切部の各々に、前記酸素極に接触する前記炭素繊維織布同士と前記燃料極に接触する前記炭素繊維織布同士とを絶縁する電気絶縁部が前記導電部に接触して形成されていることを特徴とする炭素繊維多重織布。
前記導電部が、炭素繊維糸条又は導電性テープ糸によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維多重織布。
前記電気絶縁部が、電気絶縁糸又は電気絶縁テープ糸であって、前記導電部に接触して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維多重織布。
前記経糸が、二本の緯糸が接触状態で拘束されるように所定間隔で配されていることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維多重織布。
緯糸としての炭素繊維糸条を所定間隔で配した経糸としての電気絶縁性糸条で互いに接触するように拘束した二枚の炭素繊維織布を所定長製織した後、前記二枚の炭素繊維織布を所定間隔で前記炭素繊維糸条に平行に配して前記経糸で拘束した導電部を介して一体化しつつ、前記導電部で仕切った複数の仕切部を形成し、
その際に、前記仕切部の各々に、電解質層の一方の面に酸素含有ガスが供給される酸素極と前記電解質層の他方の面に燃料が供給される燃料極とが対向して形成された電解質膜を、前記酸素極が同一方向に向くように装入し、前記酸素極と前記燃料極とが対応する前記炭素繊維織布に接触して複数の単一燃料電池を形成したとき、隣接する前記単一燃料電池同士を直列に接続すべく、隣接する前記仕切部の各々に、前記酸素極に接触する前記炭素繊維織布同士と前記燃料極に接触する前記炭素繊維織布同士とを絶縁する電気絶縁部を前記導電部に接触して形成することを特徴とする炭素繊維多重織物の製造方法。
前記炭素繊維織布を、ジャカート織機を用いて製織することを特徴とする請求項５に記載の炭素繊維多重織布の製造方法。
前記導電部を、炭素繊維糸条又は導電性テープ糸によって形成することを特徴とする請求項５に記載の炭素繊維多重織布の製造方法。
前記電気絶縁部を、電気絶縁糸又は電気絶縁テープ糸であって、前記導電部に接触して形成することを特徴とする請求項５に記載の炭素繊維多重織布の製造方法。
前記経糸を、二本の緯糸を接触状態で拘束するように所定間隔で配していることを特徴とする請求項５に記載の炭素繊維多重織布の製造方法。
複数の単一燃料電池が電気的に直列に接続されたシート状燃料電池であって、
前記燃料電池の集電層には、緯糸としての炭素繊維糸条が所定間隔で配された経糸としての電気絶縁性糸条で互いに接触するように拘束された所定長の二枚の炭素繊維織布が、所定間隔で前記炭素繊維糸条に平行に配されて前記経糸で拘束された導電部を介して一体化されている炭素繊維多重織布が用いられ、
前記炭素繊維多重織布の前記導電部で仕切られた複数の仕切部の各々に、電解質層の一方の面に酸素含有ガスが供給される酸素極と前記電解質層の他方の面に燃料が供給される燃料極とが対向して形成された電解質膜が、前記酸素極が同一方向に向くように装入され、前記酸素極と前記燃料極とが対応する前記炭素繊維織布に接触して単一燃料電池が形成されており、
且つ隣接する前記単一燃料電池同士が直列に接続されるように、隣接する前記仕切部の各々に、前記酸素極に接触する前記炭素繊維織布同士と前記燃料極に接触する前記炭素繊維織布同士とを絶縁する電気絶縁部が前記導電部に接触して形成されていることを特徴とするシート状燃料電池。
前記単一燃料電池が、前記仕切部を形成する部分に緯糸として引き込まれた前記電解質膜に、前記導電部及び電気絶縁糸条が緯糸として引き込まれて形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のシート状燃料電池。
前記導電部が、炭素繊維糸条又は導電性テープ糸によって形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のシート状燃料電池。
前記電気絶縁部が、電気絶縁糸又は電気絶縁テープ糸であって、前記導電部に接触して形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のシート状燃料電池。
前記経糸が、二本の緯糸が接触状態で拘束されるように所定間隔で配されていることを特徴とする請求項１０に記載のシート状燃料電池。
電解質膜の燃料極側に、ゼリー状のメタノールが配されていることを特徴とする請求項１０に記載のシート状燃料電池。