(57)【要約】      （修正有）【課題】撥水剤の溶出を抑制した撥水層を備え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は導電性粒子３２と導電性粒子３２に付着させた撥水剤３４から構成する第１の層３３と、導電性粒子から構成する第２の層３３を積層し、第２の層３３の導電性粒子間の空孔径を撥水剤３４の粒径より小さくすることで撥水剤３４の溶出を防ぐ。【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、
導電性粒子と前記導電性粒子に付着させた撥水剤から構成する第１の層と、
前記導電性粒子から構成する第２の層と、を積層して構成することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第２の層の前記導電性粒子間の空孔径が前記撥水剤の粒径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記撥水層の積層方向の両端に位置する層が前記第２の層であ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】
前記第２の層のうち積層方向の両端に位置する層の導電性粒子は、他の第２の層の前記導電性粒子よりも粒径が小さいことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【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。特に水が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、カソードから水を排水するためにカソードの触媒層とガス拡散層の間に撥水層を設け、その撥水層の撥水剤重量に傾斜を付け、撥水性を向上させるものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−０９２１１２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、撥水層中の撥水剤は、燃料電池の長時間運転により溜まった生成水の影響により、ガス流路または触媒層へ溶出する現象が生じる。その結果、撥水層の撥水効果が低減し、フラティング現象が生じやすくなる。特に上記の発明のように撥水層の撥水剤重量に傾斜を付けた場合には、撥水剤重量が大きい部位は撥水剤を設けたカーボン粒子間の空孔径が大きく、撥水剤重量が小さい部位は空孔径が小さい。そのため撥水剤重量が大きい部位の撥水剤粒子が溶出した場合には空孔が広がり、次々に撥水剤が撥水層から溶出を始め撥水層の耐久性が悪くな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、撥水層から撥水剤の溶出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】
【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間の間に配置され、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、導電性粒子と導電性粒子に付着させた撥水剤から構成する第１の層と、導電性粒子から構成する第２の層と、を積層して構成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、燃料電池からの排水性を高めるために設けた撥水層を、撥水剤を有する第１の層と、撥水剤を有しない第２の層で構成するので、撥水剤が第１の層から乖離した場合でも撥水剤を有さない第２の層によって撥水剤が溶出するのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
触媒層２１とガス拡散層２２の間に設けられた撥水層２３はカーボン粒子（導電性粒子）３２のみで構成されるカーボン層（第２の層）３３と、撥水剤３４とカーボン粒子３２から構成されるカーボン撥水層（第１の層）３５を積層して構成する。なお、ここではカーボン粒子３２としてはカーボンブラックを使用し、撥水剤３４としてはＰＴＦＥを使用するが、これ以外の材料を用いてもよい。
【００１７】
カーボン層３３を上面から見た状態の概略図を図４に示す。カーボン層３３は隣り合うカーボン粒子３２が接するように配置され、隣り合うカーボン粒子３２の間に空孔３６を有する。なお、カーボン粒子３２は図４の配置に限られることはない。
【００１８】
カーボン撥水層３５も図４と同様に撥水剤３４を有するカーボン粒子３２が互いに接するように、つまり撥水剤３４同士が接するように配置される。撥水剤３４の粒径はカーボン層３３のカーボン粒子３２によって構成される空孔３６よりも大きく構成する。これによって例えば燃料電池１を長時間起動時した場合に撥水剤３４がカーボン粒子３２から乖離した場合でも撥水剤３４が空孔３６から溶出するのを防ぐことができる。ここでカーボン層３３は、触媒層２１、ガス拡散層２２と接するように積層する。つまり撥水層２３の積層方向両端をカーボン層３３とし、カーボン撥水層３５が触媒層２１、ガス拡散層２２と直接接しないようにする。これによって撥水剤３４が撥水層２３から溶出するのを防ぐことができる。なお、カーボン層３３とカーボン撥水層３５は交互、または所定の間隔で積層することが望ましい。これによってカーボン粒子３２から乖離した撥水剤３４の移動を制限し、撥水剤３４の偏在を少なくし、燃料電池１の電気的抵抗を小さくすることができる。
【００１９】
撥水層２３の製造方法としては、ガス拡散層２２にカーボン粒子３２を含んだスラリーを塗布、乾燥させ、その後カーボン粒子３２と撥水剤３４を含んだスラリーを塗布、乾燥する。これらの行程を繰り返し行い、撥水層２３を作成する。なお、最後はカーボン粒子３２からなるスラリーを塗布する。これによって触媒層２１と接する層がカーボン層３３となり撥水剤３４と溶出を防ぐことができる。触媒層２１と接する層とガス拡散層２２と接する層以外の層をカーボン撥水層３１としても良いし、所定の積層間隔でカーボン層３３とカーボン撥水層３５を交互に積層しても良い。なお塗布装置としては、バーコータ等のコータ装置を用いる。またスラリーを乾燥後粉砕した粉末を散布しても良い。
【００２０】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２１】
本発明を用いない場合の撥水層２３、２７について図５を用いて説明する。図５はアノード２の撥水層２３の概略図である。ここでは触媒層２１とガス拡散層２２の間に設けた撥水層２３にカーボン粒子３２のみからなるカーボン層３３を設けずに、カーボン粒子３２と撥水剤３４からなるカーボン撥水層３５によって撥水層２３を構成する。カーボン粒子３２は撥水剤３４を有しているので、カーボン粒子３２間の距離が長くなる。そのため撥水剤３４がカーボン粒子３２から乖離した場合に、撥水剤３４がカーボン粒子３２の間を通り、撥水層２３から溶出する可能性がある。また撥水剤３４の電気的抵抗が大きい場合には、溶出した撥水剤３４が偏在すると撥水層２３の電気的抵抗、つまり燃料電池１の電気的抵抗を大きくする可能性があり、燃料電池１の発電効率を低下させる可能性がある。
【００２２】
この実施形態では撥水層２３をカーボン粒子３２からなるカーボン層３３と、撥水剤３４を有するカーボン粒子３２からなるカーボン撥水層３５を積層する。カーボン層３３ではカーボン粒子３２間の空孔３６が撥水剤３４よりも小さいので、カーボン粒子３２から撥水剤３４が乖離した場合でも撥水剤３４が撥水層２３から溶出するのを防ぐことができる。また、乖離した撥水剤３４の偏在を防止することができ、燃料電池１の電気的抵抗が大きくなるのを防ぐことができ、燃料電池１の発電効率の低下を防止することができる。
【００２３】
撥水層２３の一部を導電性の高いカーボン層３３を設けることで撥水層３１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。
【００２４】
また、触媒層２１、またはガス拡散層２２と接する層をカーボン層３３とすることで、撥水剤３４の溶出を確実に防止することができる。
【００２５】
次に本発明の第２実施形態について図６の概略図を用いて説明する。なお、図６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。この実施形態では撥水層２３において、触媒層２１、またはガス拡散層２２と接する層に粒径の小さい微小カーボン粒子３７から構成する微小カーボン層３８を設ける。これによって微小カーボン粒子３７間の空孔３９はより小さくなる。そのため、撥水剤３４の溶出をより防ぐことができる。その他の構成については第１実施形態と同じであるのでここでの説明は省略する。なお、この微小カーボン層３８は触媒層２１、またはガス拡散層２２と接する層以外にも設けてもよい。
【００２６】
撥水層２３の製造方法としては、ガス拡散層２２に粒径の小さい微小カーボン粒子３７からなるスラリーを塗布し、その後カーボン粒子３２と撥水剤３４からなるスラリーを塗布する。そして、カーボン粒子３２からなるスラリー、またはカーボン粒子３２と撥水剤３４からなるスラリーの塗布を繰り返す。そして最後に再び微小カーボン粒子３７からなるスラリーを塗布し、撥水層２３を作成する。これによって触媒層２１、またはガス拡散層２２と接する層が微小カーボン層３８となり撥水剤３４の溶出をより防ぐことができる。なお、塗布装置としては、バーコータ等のコータ装置を用いる。またスラリーを乾燥後粉砕した粉末を散布しても良い。
【００２７】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００２８】
この実施形態では第１実施形態の効果に加え、触媒層２１、またはガス拡散層２２と接する層が粒径の小さい微小カーボン層３８となり、微小カーボン層３８の間の空孔３９が小さくなり、撥水剤３４の溶出をより防止することができる。また、触媒層２１、またはガス拡散層２２との接触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。
【００２９】
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】
【００３０】
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】
【００３１】
【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】本発明の第１実施形態の撥水層の概略図である。
【図４】本発明のカーボン層の上面図である。
【図５】本発明を用いない場合に撥水層の概略図である。
【図６】本発明の第２実施形態の撥水層の概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      燃料電池
２      アノード
３      カソード
２３    撥水層
２７    撥水層
３２    カーボン粒子（粒子）
３３    カーボン層（第２の層）
３４    撥水剤
３５    カーボン撥水層（第１の層）
３６    空孔
３７    微小カーボン粒子
３９    空孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006049184.tif 000005
【図４】
2006049184.tif 000006
【図５】
2006049184.tif 000007
【図６】
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