(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の排水性を高める撥水層を備え、その撥水層の電気的な抵抗を小さくした燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池のアノードまたはカソードの触媒層２１とガス拡散層２２の間に排水性を高める撥水層２３を設け、撥水層２３は触媒層２１とガス拡散層２２を電気的に接続する電導性層を構成する第１電導性粒子３２と、粒子径が第１導電性粒子よりも小さい第２導電性粒子３３に撥水剤３４を付着させた撥水粒子３６とを備え、隣り合う第１導電性粒子の間の空間に撥水粒子３６を配置する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノードまたはカソードの触媒層とガス拡散層の間に配置され、前記燃料電池の排水性を高める撥水層を備えた燃料電池において、
前記撥水層は、
前記触媒層と前記ガス拡散層を電気的に接続する導電性層を構成する第１導電性粒子と、
粒子径が前記第１導電性粒子よりも小さい第２導電性粒子に撥水剤を付着させた撥水粒子と、を備え、
隣り合う前記第１導電性粒子の間の空間に前記撥水粒子を配置することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１導電性粒子は隣り合う粒子が互いに接することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記撥水粒子が前記第１導電性粒子と接することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記撥水層は、前記触媒層または前記ガス拡散層と前記第１導電性粒子によって接触することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１導電性粒子および前記第２導電性粒子がカーボンブラックであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記撥水剤がフッ素を主成分とする高分子材料であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項７】
燃料電池のアノードまたはカソードの触媒層とガス拡散層の間に配置され、前記燃料電池の排水性を高める撥水層を備えた燃料電池の撥水層製造方法において、
前記触媒層と前記ガス拡散層を電気的に接続する第１導電性粒子を互いに接した層状に配置し、
この第１導電性粒子層上に粒子径が前記第１導電性粒子よりも小さい第２導電性粒子に撥水剤を付着させた撥水粒子を配置させた状態で前記第１導電性粒子層の下面から吸引して、前記第１導電性粒子間に前記撥水粒子を配列し、
前記撥水剤の融点以上の温度で加熱して前記撥水剤を焼成処理することを特徴とする燃料電池の撥水層製造方法。
【請求項８】
前記ガス拡散層から吸引を行いながら前記第１導電性粒子を互いに接した層状に配置することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の撥水層製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであり、特に撥水層を備えた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料極（アノード）に水素、酸化剤極（カソード）に空気または酸素を供給し、発電する燃料電池ではカソードにおいて水が生成する。液水の生成しやすい高加湿及び高電流密度運転においては、カソードの生成水が電解層に溜まり、生成水に阻害されて反応物が電極に十分に供給されず、電池出力が低下するフラッティング現象が起こる。そのため、燃料電池の高出力化のためには、カソードからの水の排出が必要である。
【０００３】
従来、水を排出するために撥水層を有し、その撥水層を粒径の異なる炭素粒子で構成するものが特許文献１に開示されている。これによると、撥水層は小さい炭素粒子で構成する気孔と大きい炭素粒子で構成する気孔を有している。そして小さい炭素粒子で構成される気孔で水を吸収、排出する。一方、大きい炭素粒子で構成する気孔は、塞がれることがなく気体を拡散するので燃料電池の出力低下を防止することができる。更に大きい炭素粒子に撥水性を持たせることで、大きい炭素粒子で構成する気孔の水による塞がりを防止し、燃料電池の発電効率の低下を防止する。
【特許文献１】特開２００１−５７２１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、撥水剤は電気的な抵抗が大きいために上記の発明では、撥水層の電気的な抵抗が大きく、また粒径が小さい炭素粒子によって触媒層とガス拡散層の導電性を確保するため炭素粒子間の接触抵抗が大きくなり、撥水層の電気的な抵抗が大きくなり、燃料電池の発電効率を低下させる、といった問題点がある。
【０００５】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、撥水層の電気的な抵抗を小さくし、燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、燃料電池のアノードまたはカソードの触媒層とガス拡散層の間に配置され、燃料電池の排水性を高める撥水層を備えた燃料電池において、撥水層は、触媒層とガス拡散層を電気的に接続する導電性層を構成する第１導電性粒子と、粒子径が第１導電性粒子よりも小さい第２導電性粒子に撥水剤を付着させた撥水粒子を備える。そして隣り合う第１導電性粒子の間の空間に撥水粒子を配置する。
【０００７】
また、燃料電池のアノードまたはカソードの触媒層とガス拡散層の間に配置され、燃料電池の排水性を高める撥水層を備えた燃料電池の撥水層製造方法において、触媒層とガス拡散層を電気的に接続する第１導電性粒子を互いに接した層状に配置し、この第１導電性粒子層上に粒子径が第１導電性粒子よりも小さい第２導電性粒子に撥水剤を付着させた撥水粒子を第１導電性粒子層の下面から吸引して、第２導電性粒子を第１導電性粒子間に収め、撥水剤の融点以上の温度で加熱処理する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、隣り合う第１導電性粒子によって構成される空間に第１導電性粒子よりも粒径が小さい第２導電性粒子に撥水剤を付着させた撥水粒子を配置することで撥水層の電気的な抵抗を小さくし、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態の燃料電池１を有する燃料電池システムの構成を図１の概略図を用いて説明する。この燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１のアノード２に水素を供給する水素ボンベ３と、カソード４に空気を供給するコンプレッサ５を備える。また、燃料電池１の両端には燃料電池１で発電された電力を取り出す集電板６を備え、燃料電池１で発電された電力は負荷７によって消費される。
【００１０】
水素ボンベ３から水素供給マニホールド８を介してアノード２に供給された水素は燃料電池１で消費され、燃料電池１で消費されなかった残留水素は、水素排出マニホールド９を介して排出水素として燃料電池１から排出される。水素ボンベ３と水素供給マニホールド８の間には、アノード２への水素供給を選択的に切り換えるシャットオフ弁１０を備え、また水素排出マニホールド９の下流にはアノード２から外部への排出水素の排出を選択的に切り換えるシャットオフ弁１１を備える。燃料電池１の停止時にはシャットオフ弁１０、１１を閉じることでアノード２に水素を充填することができ、外部からアノード２への空気の混入を防止する。アノード２に空気が混入しないので、次回の起動時などにアノード２で水素と空気中の酸素を反応させずに燃料電池１を起動させることができ、燃料電池１の劣化を防止することができる。また、シャットオフ弁１０、１１を制御することで、アノード２の圧力を制御することができる。
【００１１】
コンプレッサ５から空気供給マニホールド１２を介してカソード４に供給された空気は燃料電池１で消費され、燃料電池１で消費されなかった残留空気は、空気排出マニホールド１３を介して排出空気として燃料電池１から排出される。コンプレッサ５と空気供給マニホールド１２との間には空気供給を選択的に切り換えるシャットオフ弁１４を備え、また空気排出マニホールド１３の下流にはカソード４から外部への排出空気の排出を選択的に切り換えるシャットオフ弁１５を備える。シャットオフ弁１４、１５を制御することで、カソード４の圧力を制御することができる。
【００１２】
さらに燃料電池１の起動状態から水素流量を制御する流量コントローラ１６と、空気流量を制御するコンプレッサ５を制御し、シャット弁１０、１１、１４、１５を制御するコントローラ６０を備える。
【００１３】
ここで燃料電池１について図２の概略図を用いて説明する。燃料電池１は単位セル５００を積層して構成される。単位セル５０は高分子電解質膜２０（以下、電解質膜とする）と、電解質膜２０の一方の面に設けたアノード２と、電解質膜２０のもう一方の面に設けたカソード４と、水素が流れる水素流路２９を有するセパレータ２８と、空気が流れる空気流路３０を有するセパレータ３１によって構成される。なお、図２のセパレータ２８、３０では１つの面に水素流路２９、または空気流路３１を設けているが、水素流路２９、または空気流路３１を設けた面と逆の面にも水素、または空気が流れる流路を設けてもよい。
【００１４】
アノード２は例えば白金などの触媒層２１と、触媒層２１に水素を拡散するガス拡散層２２と、触媒層２１とガス拡散層２２の間に撥水層２３を積層し構成する。触媒層２１とガス拡散層２２の間に撥水層２３を設けることで、例えばカソード４によって生成された水が電解質膜２０を通ってアノード２に浸透した場合にも浸透した水の排水性を向上することができ、フラッティングを防止することができる。また、水素を加湿して、電解質膜２０の乾燥を防ぐ場合にも電解質膜２０を均一に加湿することができる。
【００１５】
カソード４は例えば白金などの触媒層２５と、触媒層２５に水素を拡散するガス拡散層２６と、触媒層２５とガス拡散層２６の間に撥水層２７を積層し構成する。触媒層２５とガス拡散層２６の間に撥水層２７を設けることで、カソード４で生成された水の排水性を向上することができる。
【００１６】
次に、この実施形態の撥水層２３、２７について図３の概略図を用いて詳しく説明する。なお、図３はアノード２の撥水層２３についての概略図であるが、カソード４の撥水層２７についても同様の構成とする。
【００１７】
撥水層２３は大きい粒径のカーボン粒子（第１導電性粒子）３２（以下、カーボン粒子３２とする）からなる層状のカーボン層（導電性層）３７と、隣り合うカーボン粒子３２間に生じる空孔（空間）３５に配置した撥水粒子３６から構成される。なお、図３において説明のために、図示した空孔３５に配置する撥水粒子３６を省略するが、図３の空孔３５にも撥水粒子３６を配置する。撥水粒子３６は小さい粒径のカーボン粒子（第２導電性粒子）３３（以下、カーボン粒子３３とする）の周りに撥水剤３４を付着させ構成する。つまり、隣接するカーボン粒子３２によって３次元的に構成される空孔３５に撥水粒子３６が各カーボン粒子３２と接するように配置される。なお、カーボン粒子３２、３３にはカーボンブラックを使用し、撥水剤３４にはフッ素を主成分とするＰＴＦＥを使用する。
【００１８】
ここでカーボン粒子３２と撥水粒子３６の大きさの関係について図４を用いて詳しく説明する。図４はカーボン粒子３２が図３に示すように規則的に並んだ場合のカーボン粒子３２の中心を結んだ図形Ａであり、カーボン粒子３２の半径をｒとすると、図形Ａは１辺が２ｒの立方体となる。その立方体に中心に撥水粒子３６が存在する。そして図４の斜線で示す面では、１辺が２ｒ、もう一方の辺が２ｒ√２となる。そして対角線は２ｒ√３となる。すなわち、撥水粒子３６の粒径は（２ｒ√３−２ｒ）＝２ｒ（√３−１）となり、カーボン粒子３２の約０．７３倍となる。撥水粒子３６、つまりカーボン粒子３３と撥水剤３４を合わせた大きさがカーボン粒子３２の約０．７３倍とすることで、隣接するカーボン粒子３２の空孔３５に撥水粒子３６がカーボン粒子３２と接するように配置される。なお、この数値は或る一例であり、撥水粒子３６とカーボン粒子３２が接するように粒径のばらつきに応じて数値を変更してもよい。
【００１９】
以上のように、隣り合うカーボン粒子３２が互いに接し、空孔３５に撥水粒子３６がカーボン粒子３２と接するように配置されるので、撥水層２３の電気的抵抗を小さくすることができ、燃料電池１の排水性を高めることができる。また、撥水層２３の空孔率を小さくし、燃料電池１のスタッキングの際に生じるクリープを抑制し、スタッキング後の面圧低下を抑制することができる。
【００２０】
次に撥水層２３の製造方法について、図５の工程図と図６のフローチャートを用いて説明する。なお、撥水粒子３６は撥水剤３４中にカーボン粒子３３を混合し、乾燥した後に粉砕し、前述したように撥水剤３４を周りに付着させた場合の撥水粒子３６の粒径がカーボン粒子３２と比較して例えば約０．７３倍となるようにする。撥水粒子３６の作成方法についてはこの方法以外を用いてもよい。
【００２１】
ステップＳ１００では例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルフィド）またはＰＥＩ（ポリエーテルイミド）などのフィルムシート４０にカーボン粒子３２を配置する箇所に穴４１を開ける（図５（ａ））。ここではこの穴４１はカーボン粒子３２が隣接するように設けられる。
【００２２】
ステップ１０１では穴４１を開けたフィルムシート４０を下方から吸引しながら、カーボン粒子３２を散布する。これにより穴４１ではカーボン粒子３２が互いに接して収まる（図５（ｂ））。
【００２３】
ステップＳ１０２ではカーボン粒子３２が穴４１に収まったフィルムシート４０をガス拡散層２２に乗せる（図５（ｃ））。
【００２４】
ステップＳ１０３ではガス拡散層２２に乗せたフィルムシート４０の上方からフィルムシート４０を電磁加熱によってフィルムシート４０が熱分解する温度に加熱する。これによってカーボン粒子３２をガス拡散層２２に結合させる（図５（ｄ））。
【００２５】
ステップＳ１０４ではガス拡散層２２から吸引し、撥水粒子３６を散布し（図５（ｅ））、更にその後カーボン粒子３２を散布する。ガス拡散層２２から吸引しながら撥水粒子３６を散布するので、撥水粒子３６はカーボン粒子３２の間に接するように配置される。また、カーボン粒子３２も同様に撥水粒子３６と接するように配置される。つまり、カーボン粒子３２よって構成される空孔３５に撥水粒子３６が接するように配置することができる。
【００２６】
ステップＳ１０５では撥水剤３４の融点以上に加熱することで撥水剤３４を焼成する。
【００２７】
ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４、１０５を決められた所定回数行ったかどうか判断し、所定回数行うと撥水層２３が完成したと判断し、終了する。所定回数行っていない場合には、ステップＳ１０４とステップＳ１０５を繰り返し行うことにより撥水層２３を製造する。これによって、カーボン粒子３２が互いに接するように配置し、更にカーボン粒子３２の間の空孔３５に、撥水剤３４とカーボン粒子３３からなる撥水粒子３６を配置することができる。
【００２８】
なお、ステップＳ１００においてフィルムシート４０にカーボン粒子３２が収まる穴４１を設けたが、撥水粒子３６が収まる穴を設け、ステップＳ１０１において撥水粒子３６を穴に設けてもよい。この場合には、フィルムシート４０は熱によって分解される熱分解温度が撥水剤３４の融点よりも低く、かつ撥水剤３４の融点近傍となるフィルムシート４０を使用する。
【００２９】
また、カーボン粒子３２と撥水粒子３６を混合し、ガス拡散層２２の下方より吸引しながらガス拡散層２２に散布し、その後電磁加熱により撥水剤３４の融点以上に加熱し、撥水層２３を成形してもよい。このとき撥水粒子３６がカーボン粒子３２よりも小さいので、撥水粒子３６はカーボン粒子３２で構成される空孔３５の中に配置される。
【００３０】
本発明の実施形態の効果について説明する。
【００３１】
隣り合うカーボン粒子３２が接触するようにカーボン粒子３２を構成し、カーボン粒子３３に撥水剤３４を付着させた撥水粒子３６をカーボン粒子３２の空孔３５に設けて撥水層２３を構成する。導電性のカーボン粒子３２が互いに接しているので、撥水層２３の電気的抵抗を小さくすることができ、燃料電池１の発電効率を良くすることができる。
【００３２】
触媒層２１、２５またはガス拡散層２２、２６と接する面をカーボン粒子３２によって構成するので触媒層２１、２５またはガス拡散層２２、２６と撥水層２３、２７の電気的抵抗を小さくし、燃料電池１の発電効率を良くすることができる。
【００３３】
また、カーボン粒子３２によって構成される空孔３５にカーボン粒子３２と接するように撥水粒子３６を設けるので、撥水層２３の空孔率を少なくし、単位セル５０のスタッキングの際のクリープ現象を抑制することができる。
【００３４】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
燃料電池を搭載した様々な分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の燃料電池を用いた燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明の燃料電池の概略図である。
【図３】本発明の撥水層の概略図である。
【図４】本発明のカーボン粒子と撥水粒子の大きさの関係を説明するための図である。
【図５】本発明の撥水層を製造する工程図である。
【図６】本発明の撥水層を製造する工程のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１      燃料電池
２      アノード
４      カソード
２０    高分子電解質膜（電解質膜）
２１    触媒層
２２    ガス拡散層
２３    撥水層
２５    触媒層
２６    ガス拡散層
２７    撥水層
３２    大きい粒径のカーボン粒子（第１導電性粒子）
３３    小さい粒径のカーボン粒子（第２導電性粒子）
３４    撥水剤
３５    空孔（空間）
３６    撥水粒子
３７    カーボン層（導電性層）
【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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