(57)【要約】【課題】ガス拡散性と排水性を向上させた拡散層を備えた燃料電池を得る。【解決手段】電解質膜１４の両面に触媒層１６と拡散層２０からなる電極１５を積層した膜電極接合体１３と、ガス流路１２を形成したセパレータ１１とを備えた燃料電池１０において、拡散層２０として、密度の高い第１の基材２１ａと密度の低い第２の基材２２ａの２つの材料が面方向に組み合わされた形態のものを用いる。そこにおいて、高密度である第１の基材２１ａはセパレータ１１に形成したガス流路１２に沿う形状とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極を積層した膜電極接合体と、前記電極に接する面にガス流路を形成したセパレータとを備え、前記電極は前記電解質膜側に位置する触媒層と前記セパレータ側に位置する拡散層との積層体である燃料電池において、
前記拡散層は、特性の異なる基材が面方向に組み合わされた構成を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記拡散層は、密度の異なる第１の基材と第２の基材とで構成され、高密度である第１の基材は前記セパレータに形成したガス流路に面する位置に、低密度である第２の基材はガス流路以外のセパレータ本体に面する位置になるように、２つの基材が面方向に組み合わされてい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】
前記拡散層には、撥水処理が施されてい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】
前記拡散層を構成する前記第１の基材と第２の基材の双方またはいずれか一方には、撥水処理が施される前に撥水剤を含む液体の基材への侵入を促進させるためのシリコン処理等による表面改質処理が施されることを特徴する請求項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し、特に、電解質膜の両面に電極を積層した膜電極接合体と、電極に接する面にガス流路を形成したセパレータとを備え、電極は電解質膜側に位置する触媒層とセパレータ側に位置する拡散層との積層体である固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一形態として固体高分子形燃料電池が知られている。固体高分子形燃料電池は他の形態の燃料電池と比較して作動温度が低く（８０℃〜１２０℃程度）、低コスト、コンパクト化が可能なことから、自動車の動力源等として期待されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、図４に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）１３を主要な構成要素とし、それをガス流路１２（燃料（水素）ガス流路および酸化剤（酸素）ガス流路）を備えたセパレータ１１，１１で挟持して、単セルと呼ばれる１つの燃料電池１０ａを形成している。膜電極接合体１３は、イオン交換膜である固体高分子電解質膜１４の一方側にアノード側（燃料側）の触媒層１６ａと拡散層１７ａからなるアノード側電極１５ａを積層し、他方の側にカソード側（空気側）の触媒層１６ｂと拡散層１７ｂからなるカソード側電極１５ｂを積層した構造を有する。
【０００４】
燃料電池において、高い発電性能を得るために、反応により生成する水を速やかに排出してフラッティング現象を防止するとともに、セパレータ１１に形成したガス流路１２からのガスを電解質膜１４に至るまでに、アノード側電極１５ａおよびカソード側電極１５ｂの双方において、むらなく拡散させる必要がある。そのために、通常の膜電極接合体における各電極は、前記のように、電解質膜側に面する触媒層とセパレータ側に面する拡散層（集電体とも呼ばれる）との積層体とされており、拡散層においてガスの拡散および生成水の集約化を図っている。拡散層にはカーボンペーパーやカーボン繊維の織布あるいは不織布に撥水性材料を塗布あるいは添加したものが多く用いられる。
【０００５】
膜電極接合体をセパレータで挟持して単セル構造（燃料電池）としたときに、拡散層のセパレータに面する側は、セパレータ本体に接触する領域とセパレータに形成したガス流路に面する領域との２種類の界面領域が形成される。拡散層基材として面方向と法線方向に対して一様組成のものを用いる場合には、拡散層がセパレータ本体に接触する領域では圧縮を受けて密度がガス流路に面する領域よりも高くなることから、ガスあるいは水の流れが不十分となり、拡散層全面にわたっての均一なガス拡散性あるいは良好な排水性を得られない。図５に示すように、セパレータ本体に接触する領域では面内方向の透気性あるいは排水性が優先的に進行し、ガス流路に面する領域では法線方向の透気性あるいは排水性が優先的に進行するようにすれば、セパレータのガス流路構造に対してガスの流れや排水が最適化された拡散層を得ることができる。
【０００６】
そのような観点から、拡散層に対するいくつかの提案がなされており、特許文献１には、拡散層基材に領域によって撥水性材料の含有量が異なるように撥水性材料を塗工することによって、同一基材において特性（透気性、排水性あるいは親水性）の異なる領域を形成するようにした拡散層が記載されている。また、特許文献２には、同一基材の上に親水性物質を埋め込んだ領域を作ることによって、同一基材において特性の異なる領域を形成するようにした拡散層が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１２４２７０号公報
【特許文献２】特開２００１−１１０４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の、同一基材に対して撥水性材料の含有量が異なる領域を形成する方法あるいは同一基材に対して親水性物質を埋め込む方法等で得られる拡散層の場合、ベースとして同一の（共通の）基材を用いていることから、特性の異なる２つの領域を明確に区分けすることは困難であり、セパレータのガス流路構造に対してガスの流れや排水性が最適化された拡散層とするにはなお解決すべき点が残っている。本発明は、上記の点を解決する新たな拡散層を備えた燃料電池を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による燃料電池は、電解質膜の両面に電極を積層した膜電極接合体と、前記電極に接する面にガス流路を形成したセパレータとを備え、前記電極は前記電解質膜側に位置する触媒層と前記セパレータ側に位置する拡散層との積層体である燃料電池において、前記拡散層は特性の異なる基材が面方向に組み合わされた構成を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記の拡散層は、特性の異なる基材が面方向に組み合わされた構成であり、例えば通気方向特性あるいは排水特性が異なっている領域を、その組み合わせ面で明確に区分けすることができる。そのために、セパレータのガス流路構造に対してガスの流れや排水性が最適化された拡散層が得やすくなり、該拡散層を電極に持つ燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１１】
好ましくは、前記拡散層は、密度の異なる第１の基材と第２の基材とで構成され、高密度である第１の基材は前記セパレータに形成したガス流路に面する位置に、低密度である第２の基材はガス流路以外のセパレータ本体に面する位置になるように、２つの基材が組み合わされて構成される。この拡散層を電極に持つ燃料電池では、ガス流路から流入するガス（水素ガスおよび酸化ガス）は、拡散層の全領域を通って触媒層ひいては電解質膜の全面に到達しやすくなる。また、生成水も逆方向において同様に移動しやすくなり、排水性は円滑化してフラッティング現象は回避される。
【００１２】
すなわち、上記の拡散層を備えた燃料電池では、拡散層のセパレータ本体に接触する領域では面内方向の透気性あるいは排水性が優先的に進行し、ガス流路に面する領域では法線方向の透気性あるいは排水性が優先的に進行する。そして、面内方向と法線方向との境界は第１の基材と第２の基材との面内方向の端面同士の組み合わせ面であり、明確に区画されるので、セパレータのガス流路構造に対してガスの流れや排水性は一層最適化され、燃料電池の発電効率はさらに向上する。
【００１３】
好ましくは、前記拡散層には撥水処理が施される。拡散層を構成する第１および第２の基材に撥水処理を施すことにより排水性能をさらに高めることができる。撥水処理は、第１の基材と第２の基材とを組み合わせた拡散層に対して行ってもよく、予め撥水処理を施した第１の基材と第２の基材とを組み合わせるようにしてもよい。後者の場合、組み合わせ後に、再度撥水処理を施すことは望ましい。撥水剤は任意であるが、カーボンとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を混合したペーストが好ましく、これを拡散層に含浸ないし塗布することにより、第１の基材と第２の基材の一体化ももたらされる。
【００１４】
撥水処理の前に、前記第１の基材と第２の基材の双方またはいずれか一方に対して、撥水剤を含む液体（分散液または溶液）の基材への侵入を促進させるためのシリコン処理等による表面改質処理を施すようにしてもよい。例えば、前記液体が水性の場合には親水性となるように表面を改質し、液体が油性の場合には親油性となるように表面を改質する。このような表面改質処理により基材の表面張力が変化するので、撥水剤の付着量を制御することができる。例えば、表面改質処理を施した基材の表面はぬれやすくなり、撥水剤の付着量が多くなって撥水性が高くなる。それにより、一層の排水性向上が図られる。
【００１５】
なお、本発明において、拡散層が、特性の異なる基材が面方向に組み合わされた構成を有している点を除き、燃料電池の他の構成は、前記特許文献１や特許文献２に記載されるような、従来知られた固体高分子型燃料電池と同じであってよい。拡散層の材料も任意であるが、好ましくは、カーボンペーパーやカーボン繊維の織布あるいは不織布である。拡散層を構成する特性の異なる基材における、前記「特性」の例としては、密度、ガスまたは水の流れ方向を左右する繊維の方向などが挙げられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、セパレータの流路構造に対してガスの流れや排水性が最適化された拡散層を持つ燃料電池が得られる。本発明による燃料電池はそのために高い発電性能を備えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明を実施の形態により説明する。図１は本発明による拡散層を備えた燃料電池を分解して示しており、図２は拡散層を作る手順を示している。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池１０は、上下のセパレータ１１、１１とセパレータ１１、１１に挟持される膜電極接合体１３とで構成される。膜電極接合体１３は、電解質膜１４と電解質膜１４の両面に積層される電極１５，１５とで構成され、該電極１５は、電解質膜１４側に位置する触媒層１６とセパレータ１１側に位置する拡散層２０との積層体である。各セパレータ１１にはガス流路１２が形成されており、いずれか一方のセパレータ１１のガス流路１２には燃料ガスが、他方のセパレータ１１のガス流路１２には酸化剤ガスが供給される。なお、この燃料電池１０の構成は、後記する拡散層２０の構成を除き、前記図４に基づき説明した燃料電池１０ａと同じであってよく、対応する部材には同じ符号を付している。
【００１９】
上記の拡散層２０を、図２を参照して説明する。本発明において、拡散層２０は特性の異なる基材が面方向に組み合わされた構成を備える。図示の例において、密度の異なる２つの基材シートが用いられており、第１の基材シート２１は高密度であり、第２の基材シート２２は第１の基材シート２１に比較して低密度である。図２（ａ）に示すように、第１の基材シート２１から、前記セパレータ１１のガス流路１２の形状に沿う形の第１の基材２１ａが打ち抜き等によりにより形成される。第２の基材シート２２からは、前記セパレータ１１のガス流路１２に相当する部分が打ち抜き等によりにより除去されて、第２の基材シート２２ａが形成される。
【００２０】
次に、図２（ｂ）に示すように、第２の基材２２ａの前記除去された部分に第１の基材２１ａが嵌め込まれる。それにより、図２（ｃ）に示す本発明の燃料電池で使用する拡散層２０とされる。必要な場合には、前記拡散層２０に、例えばカーボンとＰＴＦＥを混合したペーストによる撥水処理が施される。撥水処理を施すことにより、第１および第２の基材２１ａ，２２ａに対するバインディング効果も得られる。
【００２１】
前記撥水処理は、第１および第２の基材シート２１，２２、またはそこから形成された第１および第２の基材２１ａ，２２ａに対して予め行っておくこともできる。また、予め撥水処理を施した第１および第２の基材２１ａ，２２ａで形成される拡散層２０に対して、さらに撥水処理を施してもよい。さらに、第１および第２の基材シート２１，２２、または第１および第２の基材２１ａ，２２ａのいずれかまたは双方に対して、シリコン処理等の表面改質処理を予め施すようにしてもよい。表面改質処理を施すことにより基材の表面のぬれやすさを変えることができるので、２つの基材に対する撥水剤の塗布量を制御することができる。
【００２２】
前記したように、上記した拡散層２０と触媒層１６とを積層して電極１５とし、それを電解質膜１４の両面に積層して膜電極接合体１３とする。そして、図１に示すように、拡散層２０の第１の基材２１ａとセパレータ１１のガス流路１２とが一致するようにして、膜電極接合体１３をセパレータ１１，１１で挟持することにより燃料電池（単セル）１０とされる。
【００２３】
なお、上記の説明では、セパレータ１１のガス流路１２のパターンと、それに対応する拡散層２０の第１の基材２１ａのパターンとを厳密に一致させる例を示したが、これに限らない。例えば、一方のパターンの幅が他方のパターンの幅より広い構成としてもよい。また、セパレータ１１のガス流路１２のパターンが、直線部と流れの向きを変える部分を有する場合（サーペンタイン流）に、その直線部のみを拡散層２０でパターン化してもよい。要は、ガス流路のパターンの特徴部分と、拡散層のパターンの特徴部分との少なくとも一部が対応するように構成すればよい。
【００２４】
［実施例］
以下、実施例により本発明を説明する。なお、以下の実施例では、セパレータ１１に形成されるガス流路パターンが図１および図２に示したいわゆるサーペンタイン流ではなく、直線部のみからなる場合（ストレート流）を例としているが、説明をわかりやすくするために、以下の説明では、図１および図２を用いて説明した部材に相当するものには同じ符号を付している。本発明がこれに限られないことは当然である。
【実施例１】
【００２５】
１．拡散層２０の作製
（１）表１に示す物性値を持つ厚み２００μｍのカーボンペーパー（上記第１の基材シートに相当）２１（密度０．４５ｇ／ｃｍ３）から、２．５ｍｍ×３５ｍｍである複数枚の矩形材を打ち抜き、第１の基材２１ａとした。
（２）表１に示す物性値を持つ厚み２００μｍ×５０ｍｍ×３５ｍｍのカーボンペーパー（上記第２の基材シートに相当）２２（密度０．３ｇ／ｃｍ３）から、２．５ｍｍ×３５ｍｍの大きさの矩形辺を２．５ｍｍの間隔で６個打ち抜き、打ち抜き後のカーボンペーパーを第２の基材２２ａとした。
（３）第２の基材２２ａの打ち抜き後の枠内に第１の基材２１ａを嵌め込んで組み合わせ基材とした。
（４）乾燥重量で撥水剤ＰＴＦＥ／カーボンブラックを６０／４０となるような撥水ペーストを作成し、アプリケータにより上記組み合わせ基材へ塗布した。塗布量は乾燥重量で撥水ペースト／組み合わせ基材を４０／６０になるようにした。その後、３５０℃×８ｈｒで焼成し拡散層２０を得た。
【００２６】
２．膜電極接合体１３の作製
（１）電解質膜１４としてフッ素系の電解質膜（ナフィオン：登録商標）を用いた。触媒には、カーボンブラックに重量で５０％の白金を担持した触媒を用いた。
（２）上記触媒を電解質膜成分と同じ電解質溶液（５重量％ナフィオン溶液）と分散液としてアルコール（エタノール）を用いて混合分散して触媒インクを作成した。触媒とナフィオン混合比（重量比）は、触媒／ナフィオン＝１／０．５とした。
（３）上記触媒インクをＥＴＦＥフイルムに塗布しておき、これを前記電解質膜１４の両面に熱圧着プレスにより転写接合して触媒層１６とした。電解質膜１４への白金塗布量は、アノード極で０．５ｍｇ／ｃｍ２、カソード極で０．８ｍｇ／ｃｍ２とした。
（４）得られた積層体を中央に、前記拡散層２０を両側にサンドイッチして熱圧着プレスにより、１２０℃×３ＭＰａで接合して、電解質膜１４と電極１５とからなる膜電極接合体１３を得た。
【００２７】
３．単セル（燃料電池）１０の作製
拡散層２０の第１の基材２１ａの形状に一致するガス流路１２を持つセパレータ１１，１１で膜電極接合体１３を挟持して単セル（燃料電池）１０を作製した。
【実施例２】
【００２８】
１．拡散層２０の作製
（１）表１に示す物性値を持つ厚み２００μｍのカーボンペーパー２２（密度０．３ｇ／ｃｍ３）を５％のシランカップリング剤のエタノール溶液に含浸させて７０℃×３０分で乾燥してシランカップリング剤を定着させて、シリコン処理カーボンペーパー２２Ｃを得た。その物性値を表１に示す。カーボンペーパー２２に対するシランカップリング剤の乾燥付着重量は１％となるようにした。このシリコン処理カーボンペーパー２２Ｃから、２．５ｍｍ×３５ｍｍである複数枚の矩形材を打ち抜き、第１の基材２１ａとした。
（２）厚み２００μｍ×５０ｍｍ×３５ｍｍのカーボンペーパー２２（密度０．３ｇ／ｃｍ３）から、２．５ｍｍ×３５ｍｍの大きさの矩形辺を２．５ｍｍの間隔で６個打ち抜き、打ち抜き後のカーボンペーパーを第２の基材２２ａとした。
（３）第２の基材２２ａの打ち抜き後の枠内に第１の基材２１ａを嵌め込んで組み合わせ基材とした。
（４）以下、実施例１と同様にして、撥水ペーストを組み合わせ基材へ塗布し、焼成して拡散層２０を得た。シリコン処理して得られた第１の基材２１ａは撥水剤の付着量が増加し密度が高くなっていた。
【００２９】
２．膜電極接合体１３および単セル（燃料電池）１０の作成
拡散層２０を用いて、実施例１と同様にして膜電極接合体を得、実施例１と同様にして単セル（燃料電池）１０とした。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
［比較例１］
拡散層として、前記厚み２００μｍのカーボンペーパー２１（密度０．４５ｇ／ｃｍ３）を用いた以外は、実施例１と同様にして単セルから（燃料電池）を作成した。
【００３２】
［比較例２］
拡散層として、前記厚み２００μｍのカーボンペーパー２２（密度０．３ｇ／ｃｍ３）を用いた以外は、実施例１と同様にして単セルから（燃料電池）を作成した。
【００３３】
［電池評価］
実施例１，２および比較例１，２で得られた単セル（燃料電池）について、アノードガスとして純水素、カソードガスとして空気を用いて、発電性能を評価した。その結果を図３のグラフに示した。
【００３４】
［評価］
図３のグラフから、実施例１，２は、比較例１，２に対して高負荷電流側で性能がよいことがわかる。これは、本発明による拡散層を備えた電極を用いることで、ガスの拡散性および水の排水がよくなり、電池性能が向上したためと考えられる。すなわち、拡散層において、セパレータのガス流路に対向する面は比較して透過性の低い材料で構成され、セパレータ本体への接触面は透過性の高い材料で構成されているので、ガスの拡散が接触面においても面方向に起こりやすくなっており、発電効率が向上したものと推測できる。カソード極でも、同様にして生成水の排水性が促進されて電池性能が向上したものと推測される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による拡散層を備えた燃料電池を分解して示す図。
【図２】拡散層を作る手順を説明する図。
【図３】実施例と比較例による燃料電池での電池特性を示すグラフ。
【図４】固体高分子型燃料電池を説明するための図。
【図５】拡散層におけるガスと水の流れを説明するための図。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃料電池（単セル）、１１…セパレータ、１２…ガス流路、１３…膜電極接合体、１４…電解質膜、１５…電極、１６…触媒層、２０…拡散層、２１ａ…第１の基材、２２ａ…第２の基材
【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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