(57)【要約】【課題】発電特性を高く維持しつつ、製造コストを抑えることができると共に、製造効率を高めることができる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質１をアノード２及びカソード３で挟み、さらにこれを一対のセパレータ４，５で挟んで形成される燃料電池に関する。カソード３側のセパレータ５の親水性がアノード２側のセパレータ４の親水性よりも高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード及びカソードで挟み、さらにこれを一対のセパレータで挟んで形成される燃料電池において、カソード側のセパレータの親水性がアノード側のセパレータの親水性よりも高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
カソード側のセパレータの表面張力が５１０μＮ／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１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、自動車用電源等として用いられる固体高分子形等の燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油や石炭等の化石燃料が燃焼されて多量の二酸化炭素が大気中に排出され、このことを原因とする地球温暖化問題が深刻さを増している。こうした中で、クリーンな発電システムであって省エネルギー効果が期待される燃料電池が注目を浴び、様々な分野においてその実用化が検討されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００３】
図１は燃料電池の一例を示すものであり、この燃料電池は、電解質１をアノード２及びカソード３で挟み、さらにこれを一対のセパレータ４，５で挟んで形成されている。そして、アノード２側のセパレータ４に設けた流路６を通して水素をアノード２に供給すると共に、カソード３側のセパレータ５に設けた流路７を通して酸素又は空気をカソード３に供給することによって、水素と酸素を電気化学的に反応させると、電気エネルギーを取り出すことができるものである。
【０００４】
通常図１に示すような単セルの発電量は少ないので、数十枚から数百枚の単セルを積層することによって、燃料電池はスタックとして形成されている。そしてさらに発電特性を高めるためにセパレータ４，５の表面には親水化処理が施されている。
【特許文献１】特開２００６−１９２５２号公報
【特許文献２】特開２００６−２１６４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のように製造される燃料電池にあっては製造コストが高く、広く普及するには至っておらず、コストダウンが強く望まれている。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、発電特性を高く維持しつつ、製造コストを抑えることができると共に、製造効率を高めることができる燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に係る燃料電池は、電解質１をアノード２及びカソード３で挟み、さらにこれを一対のセパレータ４，５で挟んで形成される燃料電池において、カソード３側のセパレータ５の親水性がアノード２側のセパレータ４の親水性よりも高いことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１において、カソード３側のセパレータ５の表面張力が５１０μＮ／ｃｍ以上であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の請求項１に係る燃料電池によれば、発電特性を高く維持しつつ、製造コストを抑えることができると共に、製造効率を高めることができるものである。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、水詰まりが抑制され、発電時の電圧の脈動を低減させることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は本発明に係る燃料電池の一例を示すものであり、この燃料電池は、電解質１をアノード２（燃料極）及びカソード３（空気極）で挟み、さらにこれを一対のセパレータ４，５で挟むことによって形成されている。この燃料電池は単セルとして形成されているが、実用的にはこの単セルを複数積層することによってスタック（図示省略）を製造するものである。
【００１３】
電解質１としては、例えば、プロトン伝導性の高分子膜を用いると固体高分子形（ＰＥＦＣ）の燃料電池を製造することができる。また電解質１としてリン酸を用いると、リン酸形（ＰＡＦＣ）の燃料電池を製造することができる。また電解質１として溶融炭酸塩を用いると、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）の燃料電池を製造することができる。また電解質１として安定化ジルコニアを用いると、固体電解質形（ＳＯＦＣ）の燃料電池を製造することができる。
【００１４】
アノード２及びカソード３としては、例えば、固体高分子形の燃料電池を製造する場合には、カーボンペーパーに白金等の触媒を塗布したものを用いることができる。またリン酸形の燃料電池を製造する場合には、アノード２として、カーボン材に白金又は白金・ルテニウム合金触媒を塗布したものを用い、カソード３として、カーボン材に白金を塗布したものを用いることができる。また溶融炭酸塩形の燃料電池を製造する場合には、アノード２として、ニッケルを主成分としてクロムやアルミが添加された材料を用い、カソード３として、酸化ニッケルを用いることができる。また固体電解質形の燃料電池を製造する場合には、アノード２として、ニッケルと安定化ジルコニアの混合焼結体であるＮｉ／ＹＳＺサーメットを用い、カソード３として、ランタナマンガナイトを用いることができる。
【００１５】
そして、セパレータ４，５としては、例えば、カーボンモールドセパレータを用いることができる。すなわち、合成樹脂及び黒鉛を含む樹脂組成物を成形したものをセパレータ４，５として用いることができる。
【００１６】
ここで、合成樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。
【００１７】
また黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ等の炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したもの、黒鉛電極や特殊炭素材料の加工粉、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛粒子を用いることができる。
【００１８】
上記合成樹脂及び黒鉛は、例えば、ニーダー、ミキサー、ボールミル等の混練機を用いて混練され、セパレータ成形用の樹脂組成物が調製される。このとき樹脂組成物における合成樹脂と黒鉛の配合割合は、例えば、合成樹脂１０〜３０質量％、黒鉛７０〜９０質量％に設定することができる。そして、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形等の成形方法を使用して、樹脂組成物を成形することによって、図１に示すようなセパレータ４，５を製造することができる。このとき設けられる水素用又は酸素用の流路６，７は例えばサーペンタイン形状に形成することができる。
【００１９】
ただし、本発明においては、カソード３側のセパレータ５の親水性がアノード２側のセパレータ４の親水性よりも高くなるようにしてある。すなわち、親水性を高めるための親水化処理をカソード３側のセパレータ５に施し、アノード２側のセパレータ４には施さないようにしてある。このように、カソード３側のセパレータ５に親水化処理を施して親水性を高めることによって、発電特性を高く維持することができるものである。また、アノード２側のセパレータ４には親水化処理を施さないようにして、この処理にかける費用・時間を節約することによって、製造コストを抑えることができると共に、製造効率を高めることができるものである。ここで、親水化処理としては、例えば、サンドブラスト処理、エアーブラスト処理、コロナ放電処理、プラズマ処理等を施すことができる。なお、カソード３側のセパレータ５に親水化処理を施さずに、アノード２側のセパレータ４に親水化処理を施しても、発電特性を従来の燃料電池と同程度に高めることはできない。
【００２０】
そして特に、カソード３側のセパレータ５の表面張力が５１０μＮ／ｃｍ以上（実質的な上限は７３０μＮ／ｃｍ）であることが好ましい。このようにカソード３側のセパレータ５の表面張力を設定すると、水詰まり（フラッディング現象）が抑制され、発電時の電圧の脈動を低減させることができるものである。しかし、カソード３側のセパレータ５の表面張力が５１０μＮ／ｃｍ未満であると、上記のような効果を十分に得ることができないおそれがある。
【００２１】
そして、上記のように形成された燃料電池において、アノード２側のセパレータ４に設けた流路６を通して水素をアノード２に供給すると共に、カソード３側のセパレータ５に設けた流路７を通して酸素又は空気をカソード３に供給することによって、水素と酸素を電気化学的に反応させると、電気エネルギーを取り出すことができるものである。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００２３】
（実施例１）
財団法人日本自動車研究所製の標準単セル（電極面積２５ｃｍ２）を分解し、カソード側のセパレータのみにサンドブラスト処理を施すことによって、カソード側のセパレータの親水性をアノード側のセパレータの親水性よりも高めた後、再度組み立てた。サンドブラスト処理によってカソード側のセパレータの表面張力は５１０μＮ／ｃｍとなった。一方、アノード側のセパレータの表面張力は４２０μＮ／ｃｍであった。なお、セパレータの流路はカソード側もアノード側もサーペンタイン形状に形成されている。
【００２４】
そして、アノードに水素、カソードに空気を燃料として供給すると共に、アノード利用率を７０％、カソード利用率を４０％、電流掃引速度を２Ａ／ｍｉｎに設定して、上記標準単セルの発電特性を調べた。その結果をＩ−Ｖ依存性を示すグラフとして図２（セル温度１００℃）及び図４（セル温度９０℃）に示す。なお、セル温度が１００℃の場合には、露点温度を８０℃、９０℃、９５℃、９７℃に変化させ、またセル温度が９０℃の場合には、露点温度を７０℃、８０℃、８５℃、８７℃に変化させた。
【００２５】
（実施例２）
カソード側のセパレータの表面張力を６５０μＮ／ｃｍとした以外は、実施例１と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。
【００２６】
（実施例３）
カソード側のセパレータの表面張力を７３０μＮ／ｃｍとした以外は、実施例１と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。
【００２７】
（比較例１）
カソード側及びアノード側のセパレータの両方に親水化処理を施さないようにした以外は、実施例１と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。なお、カソード側及びアノード側のセパレータの表面張力はいずれも４２０μＮ／ｃｍであった。
【００２８】
（比較例２）
カソード側及びアノード側のセパレータの両方にサンドブラスト処理を施すようにした以外は、実施例１と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。なお、カソード側及びアノード側のセパレータの表面張力はいずれも５８０μＮ／ｃｍであった。
【００２９】
（比較例３）
カソード側及びアノード側のセパレータの両方にサンドブラスト処理を施すようにした以外は、実施例１と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。なお、カソード側及びアノード側のセパレータの表面張力はいずれも７３０μＮ／ｃｍであった。
【００３０】
図２、図４にみられるように、セル温度が１００℃の場合であっても９０℃の場合であっても、カソード側のセパレータの表面張力が４２０μＮ／ｃｍ、５１０μＮ／ｃｍ、６５０μＮ／ｃｍと増加するにつれて発電特性が高まっていることが確認される。
【００３１】
また、図３、図５にみられるように、セル温度が１００℃の場合であっても９０℃の場合であっても、カソード側のセパレータのみに親水化処理を施した実施例３の標準単セルは、カソード側及びアノード側のセパレータの両方に親水化処理を施した比較例２、３の標準単セルに匹敵するほどの発電特性を有していることが確認される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】燃料電池（単セル）の一例を示す分解斜視図である。
【図２】セル温度が１００℃の場合の実施例１〜３及び比較例１についてのＩ−Ｖ依存性を示すグラフである。
【図３】セル温度が１００℃の場合の実施例３、比較例２、３についてのＩ−Ｖ依存性を示すグラフである。
【図４】セル温度が９０℃の場合の実施例１〜３及び比較例１についてのＩ−Ｖ依存性を示すグラフである。
【図５】セル温度が９０℃の場合の実施例３、比較例２、３についてのＩ−Ｖ依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１  電解質
２  アノード
３  カソード
４  セパレータ
５  セパレータ
【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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