(57)【要約】【課題】燃料電池において、シランカップリング剤に起因する燃料電池の性能の低下を実質的に低減する手段を提供する。【解決手段】本発明は、複数の燃料電池部材を含む燃料電池セルと、燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個をシールするシランカップリング剤を含有するシール部材とを有し、シランカップリング剤を含有するシール部材の表面及び燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個に、無機シリカ系多孔質材料が配置される、燃料電池に関する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池部材を含む燃料電池セルと、燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個をシールするシランカップリング剤を含有するシール部材とを有し、シランカップリング剤を含有するシール部材の表面及び燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個に、無機シリカ系多孔質材料が配置される、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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素及び酸素を電気化学的に反応させて起電力を得る。燃料電池の発電に伴って生じる生成物は、原理的に水のみである。それ故、地球環境への負荷がほとんどない、クリーンな発電システムとして注目されている。
【０００３】
燃料電池は、電解質膜の両面に電極触媒層が配置された、電極接合体（以下、「MEA」とも記載する）を基本単位として構成される。燃料電池の運転時には、アノード（燃料極）側の電極触媒層に水素を含む燃料ガスを、カソード（空気極）側の電極触媒層に酸素を含む酸化ガスを、それぞれ供給することにより、起電力を得る。アノードでは酸化反応が、カソードでは還元反応が進行し、外部回路に起電力を供給する。
【０００４】
燃料電池においては、通常は、MEAの各電極触媒層の外側にガス拡散層が配置され、ガス拡散層の外側にセパレーターがさらに配置されて、燃料電池セルが構成される。燃料電池は、通常は、所望の電力に基づき、必要となる複数の燃料電池セルの組み合わせ（以下、「燃料電池スタック」とも記載する）として使用される。
【０００５】
例えば、特許文献1は、チタン又はチタン合金製のセパレーターと、前記セパレーターの一方の面上に設けられエポキシ系熱可塑性樹脂を含むセル内樹脂層と、前記セパレーターの他方の面上に設けられシランカップリング剤を介して前記セパレーターに接着されたガスケットと、を備え、前記セパレーターの前記一方の面のTiN存在量が前記他方の面のTiN存在量よりも大きい燃料電池を記載する。
【０００６】
特許文献1に記載の燃料電池のように、燃料電池部材の接着のために、シランカップリング剤が使用される場合がある。しかしながら、シランカップリング剤含有樹脂を用いる燃料電池においては、その製造時に、シランカップリング剤含有樹脂の硬化工程でシランカップリング剤が揮発して、電解質膜又は電極触媒層等に付着する可能性がある。或いは、燃料電池の運転時に、燃料電池セル内の圧力上昇又は水の生成等により、シランカップリング剤が樹脂から溶出して、電解質膜又は電極触媒層等に付着する可能性がある。このような場合、電解質膜の固化若しくは硬化、又は電極触媒層の触媒の被毒等が発生する可能性がある。
【０００７】
このような問題に鑑み、例えば、特許文献2は、燃料電池セルを構成する部材をシールするシール部が、シランカップリング剤非含有部材であることを特徴とする燃料電池セルを記載する。
【０００８】
特許文献3は、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒層、及び、ガス拡散層を接合してなり、シリコーン系接着剤によって、周縁部にガスケットが接着される膜電極接合体であって、前記ガス拡散層の周縁部表面に形成され、前記シリコーン系接着剤から溶出したシリコン成分を拡散させるためのシリコン拡散促進層を備え、前記シリコン拡散促進層は、アイオノマを含み、前記シリコン拡散促進層の外周部から前記電解質膜の中心方向に向かって、前記アイオノマのイオン交換当量が低くなるように形成されている、膜電極接合体を記載する。
【０００９】
特許文献4は、純水と混合させて得られる水混合物（含有割合：5wt％）のpHが7以下である無機シリカ系多孔質材料を吸着剤として用いたシラノール化合物除去用ケミカルフィルタを記載する。特許文献4は、燃料電池におけるシラノール化合物除去用ケミカルフィルタの適用について記載していない。
【００１０】
特許文献5は、固体高分子型燃料電池セパレータの少なくとも一方の表面の周縁部に、オルガノポリシロキサン、及びBET法による比表面積が50〜400 m2/gであるヒュームドシリカを含有するシリコーンゴム組成物を適用し、該シリコーンゴム組成物を加熱成形（1次硬化）して、固体高分子型燃料電池セパレータの少なくとも一方の表面の周縁部にシリコーンゴム1次硬化物を形成し、該1次硬化物をポストキュア（2次硬化）することなく弾性シール層とすることを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用シールの製造方法を記載する。特許文献5は、ヒュームドシリカが、シリコーンゴムに十分な強度を与えるために必須であることを記載する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開2017-130343号公報
【特許文献２】特開2008-288154号公報
【特許文献３】特開2010-218818号公報
【特許文献４】特開2016-179461号公報
【特許文献５】特許第6048332号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記のように、シランカップリング剤を用いる燃料電池においては、揮発又は溶出するシランカップリング剤の付着に起因して、電解質膜の固化、硬化、厚肉化、脆化若しくは強度低下、又は電極触媒層の触媒の被毒等が発生し、結果として燃料電池の性能の低下が発生する可能性がある。例えば、特許文献2に記載の燃料電池のように、シランカップリング剤の使用を廃止することで、シランカップリング剤に起因する問題を回避し得る。しかしながら、接着性に優れたシランカップリング剤を使用しないことにより、接着強度の低下のような別の問題を生じる可能性がある。
【００１３】
それ故、本発明は、燃料電池において、シランカップリング剤に起因する燃料電池の性能の低下を実質的に低減する手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、前記課題を解決するための手段を種々検討した。本発明者は、燃料電池を構成する複数の部材の少なくとも1個に、無機シリカ系多孔質材料を配置することにより、シランカップリング剤に起因する燃料電池の性能の低下を実質的に低減し得ることを見出した。本発明者は、前記知見に基づき、本発明を完成した。
【００１５】
すなわち、本発明は、以下の態様及び実施形態を包含する。
（1）  複数の燃料電池部材を含む燃料電池セルと、燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個をシールするシランカップリング剤を含有するシール部材とを有し、シランカップリング剤を含有するシール部材の表面及び燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個に、無機シリカ系多孔質材料が配置される、燃料電池。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、燃料電池において、シランカップリング剤に起因する燃料電池の性能の低下を実質的に低減する手段を提供することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
本発明の一態様は、複数の燃料電池部材を含む燃料電池セルと、燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個をシールするシランカップリング剤を含有するシール部材とを有し、シランカップリング剤を含有するシール部材の表面及び燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個に、無機シリカ系多孔質材料が配置される、燃料電池に関する。
【００１９】
燃料電池においては、通常は、電極触媒層、電解質膜、ガス拡散層及びセパレーター等の燃料電池部材間の接着性及びシール性の確保のため、シランカップリング剤及びシリコーン油を含有するシリコーン系樹脂が使用される。シランカップリング剤は、接着性に優れるため、シランカップリング剤を含有するシール部材を使用することにより、燃料電池部材間の接着性及びシール性を向上させることができる。
【００２０】
しかしながら、シランカップリング剤を用いる燃料電池においては、例えば、その製造時に、シランカップリング剤の硬化工程でシランカップリング剤が揮発して、電解質膜又は電極触媒層等に付着する可能性がある。或いは、燃料電池の運転時に、燃料電池セル内の圧力上昇又は水の生成等により、シランカップリング剤が溶出して、電解質膜又は電極触媒層等に付着する可能性がある。このような場合、電解質膜の固化、硬化、厚肉化、脆化若しくは強度低下、又は電極触媒層の触媒の被毒等が発生して、結果として燃料電池の性能の低下が発生する可能性がある。
【００２１】
本発明者は、燃料電池を構成する気液循環系部材のような複数の部材の少なくとも1個に、無機シリカ系多孔質材料を配置することにより、シランカップリング剤に起因する燃料電池の性能の低下を実質的に低減し得ることを見出した。それ故、本態様の燃料電池は、シランカップリング剤を含有するシール部材の表面及び燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個に、無機シリカ系多孔質材料が配置されることを特徴とする。
【００２２】
本態様の燃料電池に含まれる無機シリカ系多孔質材料は、通常は、親水性の表面を有する。すなわち、無機シリカ系多孔質材料は、通常は、その表面に、多数のシラノール基を有する。このシラノール基が、シランカップリング剤と脱水縮合反応することにより、シランカップリング剤を吸着及び固定化する。無機シリカ系多孔質材料によるシランカップリング剤の吸着及び固定化は、主として、共有結合を介する固定化に基づく。それ故、本態様の燃料電池に含まれる無機シリカ系多孔質材料は、活性炭のような従来の吸着剤と比較して、長期間に亘って持続的に、シランカップリング剤に対する吸着及び固定化効果を発現することができる。
【００２３】
本態様の燃料電池に含まれる無機シリカ系多孔質材料は、限定するものではないが、例えば、ゼオライト、シリカゲル、シリカアルミナ、ケイ酸アルミニウム、多孔質ガラス、珪藻土、含水ケイ酸マグネシウム質粘土鉱物、酸性白土、活性白土、活性ベントナイト、メソポーラスシリカ、アルミノケイ酸塩、ヒュームドシリカ、シリカゲル及び水ガラス等からなる群より選択される1種以上の材料であることが好ましい。これらの無機シリカ系多孔質材料は、様々な技術分野で広く用いられており、安価且つ容易に入手することができる。それ故、前記で例示した無機シリカ系多孔質材料を使用することにより、シランカップリング剤に起因する性能の低下を実質的に低減した燃料電池を、低コストで得ることができる。
【００２４】
無機シリカ系多孔質材料は、所望により、活性炭又はグラスウール等の1種以上の他の吸着剤と一緒に配置されていてもよい。このような場合、揮発又は溶出するシランカップリング剤をさらに効率的に吸着することができる。
【００２５】
本態様の燃料電池の一実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、その表面が疎水化又は官能化されていてもよい。本実施形態において、無機シリカ系多孔質材料の表面の疎水化又は官能化としては、限定するものではないが、例えば、シランカップリング剤による処理を挙げることができる。前記疎水化又は官能化により、無機シリカ系多孔質材料と他の燃料電池部材との結合を強化することができる。
【００２６】
本態様の燃料電池において、無機シリカ系多孔質材料は、シランカップリング剤を含有するシール部材の表面及び燃料電池セルに含まれる複数の部材の少なくとも1個に配置される。無機シリカ系多孔質材料が、燃料電池セルに含まれる気液循環系部材のような複数の部材の少なくとも1個に配置される場合、無機シリカ系多孔質材料は、該部材の表面及び内部のいずれに配置されていてもよい。本態様の燃料電池において、燃料電池セルに含まれる複数の部材としては、限定するものではないが、例えば、電極触媒層、電解質膜、ガス拡散層、セパレーター及びマイクロポーラス層（MPL）等の主要な部材だけでなく、気液流路、各種配管及び水溜まり部等の気液循環系部材として機能する接続部材を挙げることができる。
【００２７】
本態様の燃料電池の一実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、シランカップリング剤を含有するシール部材の表面に配置されることが好ましい。本態様の燃料電池において、シランカップリング剤を含有するシール部材としては、限定するものではないが、例えば、ゴムシール、接着剤、表面処理部材及び接着のためのプライマー処理部材を挙げることができる。本実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、シランカップリング剤を含有するシール部材の表面にのみ実質的に配置され、該シール部材の内部には実質的に配置されないことが好ましい。本実施形態の場合、シランカップリング剤を含有するシール部材から揮発又は溶出するシランカップリング剤を、その表面において迅速に吸着することができる。
【００２８】
本態様の燃料電池の別の一実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、電極触媒層又は電解質膜に配置されることが好ましい。本実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、電極触媒層又は電解質膜の表面及び内部のいずれに配置されていてもよい。本実施形態の場合、シランカップリング剤を含有するシール部材から揮発又は溶出するシランカップリング剤が電極触媒層又は電解質膜に付着して、電解質膜の固化、硬化、厚肉化、脆化若しくは強度低下、又は電極触媒層の触媒の被毒等が発生する前に、シランカップリング剤を吸着することができる。
【００２９】
本態様の燃料電池の別の一実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、ガス拡散層又はMPLに配置されることが好ましい。本実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、ガス拡散層又はMPLの表面及び内部のいずれに配置されていてもよい。本実施形態の場合、シランカップリング剤を含有するシール部材から揮発又は溶出するシランカップリング剤が電極触媒層又は電解質膜に到達する前に、シランカップリング剤を吸着することができる。
【００３０】
本態様の燃料電池の別の一実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、気液流路に配置されることが好ましい。本実施形態の場合、シランカップリング剤を含有するシール部材から揮発又は溶出し、該気液流路を通過するシランカップリング剤を効果的に吸着することができる。
【００３１】
本態様の燃料電池の別の一実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、各種配管又は水溜まり部に配置されることが好ましい。本実施形態の場合、シランカップリング剤を含有するシール部材から揮発又は溶出し、該配管又は水溜まり部に滞留しているシランカップリング剤を効果的に吸着することができる。
【００３２】
本態様の燃料電池の別の一実施形態において、無機シリカ系多孔質材料は、前記で例示した複数の配置の組み合わせであってもよい。例えば、無機シリカ系多孔質材料が、シランカップリング剤を含有するシール部材の表面、及び電極触媒層又は電解質膜に配置されてもよい。
【００３３】
本態様の燃料電池において、無機シリカ系多孔質材料は、任意の形態で配置することができる。例えば、無機シリカ系多孔質材料が、燃料電池部材又はシランカップリング剤を含有するシール部材の表面に配置される場合、無機シリカ系多孔質材料は、これらの部材の表面に塗布された膜状の形態であることが好ましい。或いは、無機シリカ系多孔質材料が、気液流路又は各種配管等に配置される場合、無機シリカ系多孔質材料は、フィルターの形態であることが好ましい。前記形態で無機シリカ系多孔質材料を気液流路又は各種配管等に配置することにより、揮発又は溶出するシランカップリング剤を効率的に吸着して、燃料電池の性能の低下を実質的に低減することができる。
【００３４】
本態様の燃料電池の一実施形態において、無機シリカ系多孔質材料としてヒュームドシリカを使用し、該無機シリカ系多孔質材料を電極触媒層に配置することが好ましい。本実施形態の場合、例えば、電極インクにヒュームドシリカを配合し、燃料電池を製造すればよい。この場合、電極インクのチクソ性が向上して、電極インクの塗工性を向上（例えば、電極インクのたれ抑制、基材への裏抜け若しくは滲み込みの抑制、塗膜のひび割れ若しくは色別れの抑制、又は塗膜強度の向上）させることができる。
【００３５】
本態様の燃料電池は、限定するものではないが、例えば、燃料電池車両等の自動車、鉄道、船舶若しくは飛行機のような各種移動体の電源、携帯電話若しくは携帯用パソコンのようなモバイル機器の小型電源、又は家庭用若しくは商業用の定置電源に適用することができる。
【００３６】
以上のように、本発明の一態様の燃料電池は、シランカップリング剤を吸着して、燃料電池の性能の低下を実質的に低減することができる。それ故、本発明の一態様の燃料電池を、前記で例示した各種移動体の電源、各種モバイル機器の小型電源、又は家庭用若しくは商業用の定置電源に適用することにより、シランカップリング剤に起因する燃料電池の性能の低下を実質的に低減して、長寿命の燃料電池を得ることができる。