(57)【要約】 【課題】  導電性を確保しつつ、長期にわたり撥水性を維持することが可能な燃料電池の拡散層を提供する。【解決手段】  燃料電池は、電解質膜に供給するガスを拡散するガス拡散層を有する。このガス拡散層は導電性多孔体層を備えて構成され、導電性多孔体層は、燃料電池の発電にて生成される水分子と接触可能な部位が撥水物質にてコートされている。また、導電性多孔体層は、触媒層とセパレータなどと接触する部位に存在する撥水物質が除去されている。これにより、電気抵抗が高い撥水物質による導電阻害を回避することができる。また、この接触部位以外は撥水物質にて確実にコートされているので、水による変質等による撥水性低下を防止できる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に設けられるガス拡散層であって、
水分子と接触可能な部位が撥水物質にてコートされている導電性多孔体層を備え、
前記導電性多孔体層は、前記燃料電池が有する触媒層と、セパレータ及び／又は他のガス拡散層と接触する部位に存在する前記撥水物質が除去されていることを特徴とする燃料電池のガス拡散層。
【請求項２】
前記導電性多孔体層は、一つの物体にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のガス拡散層。
【請求項３】
前記導電性多孔体層は、導電性多孔体の表面にフッ素樹脂をコート、又はフッ素原子を被覆することによって作成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池のガス拡散層。
【請求項４】
前記導電性多孔体は、カーボン多孔体であることを特徴とする請求項１及至３のいずれか一項に記載の燃料電池のガス拡散層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のガス拡散層に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池の電極は、導電性と撥水性が要求されるガス拡散層を用いて構成されている。このガス拡散層は、触媒層上などに形成されており、電解質膜にガスを均一に拡散させるための層である。また、ガス拡散層は、水素と酸素の反応により発生した水分を速やかに除去するために撥水性が必要とされている。
【０００３】
上記のような燃料電池のガス拡散層に関する種々の技術が、例えば特許文献１及至４に開示されている。特許文献１には、カーボンブラック粒子を撥水物質で表面処理をして成る燃料電池用炭素質材料が記載されている。特許文献２には、炭素質材料の水分散液に、撥水性物質を有機溶剤に溶解した溶液を滴下して撥水処理を施した燃料電池用炭素質材料が記載されている。更に、特許文献３には、特性形状の多孔質カーボン層によって触媒層を構成し、その上に一般的なゾルーゲル法によって膜状固体高分子電解質を形成するといった技術が記載されている。その他にも、特許文献４には、カーボン繊維織布の表面にフッ素樹脂とカーボンブラックとから成る層を形成したガス拡散層が記載されている。
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１及び特許文献２に記載されたガス拡散層においては、導電性を要する接触部位の表面も撥水物質でコートされてしまうので導電性が悪くなるといった問題があった。また、特許文献３及び特許文献４に記載されたガス拡散層では、カーボン層はフッ素樹脂とカーボンブラック（粉体）を混錬してカーボンペーパー等に塗工しているため、カーボンが表面に露出してしまい、長時間水にさらされることによって撥水性が低下するといった問題があった。これは、カーボンは水の存在している環境では表面の活性な点から親水基である水酸基やカルボキシル基が生成し、撥水性が徐々に低下してしまうからである。これにより、カーボン層が親水性になり生成水によって液膜が生じる。よって、ガスの拡散性が低下してし、セルの電圧降下が引き起こされる場合があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２０８９０４号公報
【特許文献２】特開２００３−２０８９０５号公報
【特許文献３】特開２００３−１０９６０８号公報
【特許文献４】特開平１０−２６１４２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、導電性を確保しつつ、長期にわたり撥水性を維持することが可能な燃料電池の拡散層を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの観点では、燃料電池に設けられるガス拡散層は、水分子と接触可能な部位が撥水物質にてコートされている導電性多孔体層を備え、前記導電性多孔体層は、前記燃料電池が有する触媒層と、セパレータ及び／又は他のガス拡散層と接触する部位に存在する前記撥水物質が除去されている。
【０００８】
上記の燃料電池は、電解質膜に供給するガスを拡散するガス拡散層を有する。燃料電池のガス拡散層は、導電性多孔体層を備えて構成される。導電性多孔体層は、燃料電池の発電にて生成される水分子と接触可能な部位が撥水物質にてコートされている。これにより、導電性多孔体層は撥水性を有することになる。また、導電性多孔体層は、燃料電池が有する触媒層と、セパレータ及び／又は他のガス拡散層と接触する部位に存在する撥水物質が除去されている。これにより、電気抵抗が高い撥水物質による導電阻害を回避することができる。また、この接触部位以外は撥水物質にて確実にコートされているので、水による変質等による撥水性低下を防止できる。以上により、燃料電池のガス拡散層は、導電性を確保しつつ、長期にわたり撥水性を維持することが可能となる。
【０００９】
上記の燃料電池の拡散層の一態様では、前記導電性多孔体層は、一つの物体にて構成されている。この態様では、導電性多孔体層は一つの物体にて構成されているので、導電性多孔体層内の導電性を撥水物質が阻害することがない。更に、コートされた撥水物質を除去する箇所を少なくすることができ、製作が容易となる。
【００１０】
上記の燃料電池の拡散層において、好適には、前記導電性多孔体層は、導電性多孔体の表面にフッ素樹脂をコート、又はフッ素原子を被覆することによって作成される。
【００１１】
更に、好適には、前記導電性多孔体は、カーボン多孔体である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１３】
［燃料電池の構成］
図１は、燃料電池２０の概略構成を示す斜視図である。図示のように、燃料電池２０は、単セル（単電池）１０が複数集積されて構成されている（以下では、この単セル１０のことを燃料電池とも呼ぶ）。燃料電池２０は、燃料電池自動車などに搭載されて、生成した電力で車両を駆動する。
【００１４】
単セル１０の詳細な構造について、図２を用いて説明する。図２は、図１における切断線Ａ−Ａ’にて切断した単セル１０の部分断面図を示す。単セル１０は、セパレータ１と、ガス拡散層７と、触媒層４と、電解質膜５と、を備える。本例では、ガス拡散層７はカーボンペーパー２とカーボン層３から構成されている。また、本例では、導電性多孔体層としてカーボン層３を適用している。図２において、紙面左側はカソード側を示し、紙面右側はアノード側を示している。
【００１５】
単セル１０は、電解質膜５を挟んで、アノードとカソードが形成されている。電解質膜５上には触媒層４が形成されており、触媒層４上にガス拡散層７が形成されている。そして、ガス拡散層７上にはセパレータ１が配置される。セパレータ１は、リブ部１ａを有しており、セパレータ１とガス拡散層７との間の空間に、ガスが流通するガス流路６ａ、６ｂが形成されている。ガス流路６ａにはカソードに供給される空気などのガス（図１の矢印１１で示す）、又は排出されるガスなどが流通する。また、ガス流路６ｂにはアノード側に供給される水素などのガス（図１の矢印１２で示す）、又は排出されるガスなどが流通する。
【００１６】
セパレータ１は、リブ部１ａを有する平板にて構成されている。このリブ部１ａにより、セパレータ１はガス流路６ａ、６ｂを形成する。セパレータ１は、水素と酸素の反応により発生した電子を集電し、隣り合うセル間の電気的コネクタとして良好な導電性を有している。更に、セパレータ１は、弱酸性を示す電解質膜５に対しての耐食性も備えている。更に、セパレータ１は、単セル１０を積層する場合にセル同士を隔離し、且つ酸素と水素を隔離する役目を果たしている。なお、セパレータ１は、例えば緻密体のカーボン板あるいはメタル板（例えば、ステンレス、チタン、ニッケル合金など）を用いる。また、セパレータ１の表面には接触抵抗低減のためのＡｕコートなどを行い、更に防食コートとしてカーボンコート（カーボン粉末、及びバインダ）などを行ってもよい。
【００１７】
ガス拡散層７は、カーボンペーパー２とカーボン層３を備えて構成される。カーボンペーパー２は、カーボンを材料として用い、多孔質の薄板で構成したものである。カーボンペーパー２は、カーボンの繊維を編みこんで製造される。図２においては、符号２ａがカーボンの繊維の縦糸を示し、符号２ｂが繊維の横糸を示している。カーボンペーパー２は、カーボンを用いていることから導電性を有し、更に多孔質であるためガスを拡散させることができる。また、カーボンペーパー２は、生成水を排出する役割も果たす。なお、カーボンペーパー２が撥水性を有するように、フッ化処理などを行ってもよい。また、カーボンペーパー２の代わりに、カーボンクロスやカーボンフェルト等を用いてもよい。
【００１８】
カーボン層３は、発電された電気を輸送するための導電性と、生成水の排水を行うための撥水性を兼ね備えている。本実施形態においては、カーボン層３は、水分子と接触可能な部位が撥水物質にてコートされている。更に、カーボン層３は、上記のような特性を有する一つの物体にて構成される。具体的には、カーボン層３は、カーボン多孔体にフッ素樹脂をコートしたものか、或いはカーボン多孔体にフッ素原子を被覆したものにて構成される。フッ素樹脂としては、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−オロアルキルビニルエーテルコポリマー）、ＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）、ＦＥＰ（フッ化エチレンポリプロピレンコポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等を用いる。以上のように撥水物質でコートすることにより、カーボン層３が撥水性を有することになる。
【００１９】
更に、本実施形態では、フッ素樹脂でコート又はフッ素原子を被覆した後のカーボン層３において、触媒層４やカーボンペーパー２と接する面に存在する撥水物質を除去するようにする。即ち、カーボン層３は、電気が流れる箇所のみ導電性を有するようにし（フッ素樹脂などは高抵抗であるので、電流は流れにくいため）、それ以外の場所は撥水性を確保し、カーボンが露出しないように構成されている。これにより、本実施形態に係るカーボン層３は、撥水物質による導電阻害を回避しつつ、長時間水にさらされても撥水性を維持することが可能になる。
【００２０】
触媒層４は、電解質膜５表面に貼付されている層であり、吸着したガス（水素ガスなど）をイオン化する、即ちガスからイオンを引き抜く役目を担う。電解質膜５は、水素イオンのみを透過させる固体高分子膜などにて構成される。例えば、電解質膜５には、バーフルオロススルホン酸系イオン交換膜などを用い、これに白金担持カーボンと電解質からなる触媒層４を塗布して形成することができる。
【００２１】
［実施例］
以下では、本発明の実施例に係る燃料電池のガス拡散層について説明する。
【００２２】
実施例に係るガス拡散層７は、図１及び図２で示したような単セル１０に適用される。ここでは、ガス拡散層７のカーボン層３の具体例について詳細に説明する。
【００２３】
本実施例に係るカーボン層３は、カーボン多孔体にフッ素ガス処理したものを用いる。カーボン多孔体は、ポリイミド（発砲体）を炭化したものにて作成する。この場合、樹脂であるポリイミドを炭化して作成しているので、カーボン多孔体の細孔径の設計などを容易に行うことが可能である。
【００２４】
次に、カーボン多孔体へのフッ素ガス処理方法について説明する。フッ素ガス処理方法は、上記のようにして作成されたカーボン多孔体をチャンバー内に入れ、その中にフッ素ガス（Ｆ２）を導入して行う。このとき、チャンバー内の温度は３００℃程度に設定し、保持時間を概ね１時間にして行うことが好適である。このような方法を用いてカーボン層３を作成した場合、カーボン多孔体の多孔度は処理前後において変化しない。また、フッ素とカーボンは共有結合するので、熱水などによってもフッ素が剥がれることはない。したがって、カーボン層３は強固な撥水性を有することになる。
【００２５】
なお、カーボン層３の作成方法は上記したものに限定はされない。例えば、カーボン多孔体をフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）のディスパージョン中にディッピングし、このカーボン多孔体を真空減圧によって乾燥させ、３５０℃程度の真空炉にて焼成してカーボン層３を作成してもよい。この場合は、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）の分子量が大きいので、処理後のカーボン多孔体２の多孔度が変わる場合もある。よって、これを考慮に入れてカーボン多孔体の細孔径を設計する必要がある。その他に、有機溶剤の中にフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）を溶かしたものにカーボン多孔体を浸けて、カーボン層３を作成してもよい。また、カーボン多孔体を溶融フッ素樹脂の中に入れて作成してもよい。
【００２６】
以上のようにして作成されたカーボン層３において、触媒層４やカーボンペーパー２と接触する面に存在する撥水物質を除去するようにする。即ち、フッ素ガス処理されたカーボン層３において、触媒層４やカーボンペーパー２と接触する面に存在するフッ素（又はフッ素樹脂）を剥がす。例えば、作成されたカーボン層３の表面を、ヤスリなどで若干削って撥水物質の下にある面を露出させる。これにより、撥水物質による導電阻害を回避しつつ、それ以外の場所の撥水性は確保される。
【００２７】
以下では、上記のように作成したカーボン層３を有する燃料電池に関して、電池性能の評価結果を示す。
【００２８】
比較例としては、カーボンブラックとフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）を１：１で混錬してカーボン層３を作成し、これをカーボンペーパー２に塗工して構成されたガス拡散層７を有する燃料電池を用いる。そして、本実施例に係る燃料電池と比較例に係る燃料電池との比較は、２つの条件を設定してＩ−Ｖ性能試験を行い、１．５Ａ／ｃｍ２の高電流を掃引したときの出力電圧を調べて行った。１つ目の条件は、水蒸気圧１００パーセントのフル加湿に設定した（条件（１）とする）。２つ目の条件は、９０℃でフル加湿の窒素を燃料電池中に流して１０００時間放置した後に、水蒸気圧１００パーセントのフル加湿に設定した（条件（２）とする）。以上のようにして試験を行ったときの結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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表１に示す結果より、条件（１）においては本実施例と比較例ではほとんど差異は見られないものの、過酷な条件に設定された条件（２）においては両者の差が顕著に現れていることがわかる。条件（２）では、比較例に係る燃料電池は著しく電圧低下が生じているが、本実施例に係る燃料電池はほとんど電圧低下が生じていないことがわかる。即ち、本実施例に係る燃料電池は、過酷な環境にさらされた後において高電流密度域でも電圧降下は生じない。これは、フッ素ガス処理を行ったカーボン層３の撥水性が、良好に維持されているからである。なお、このような傾向は、フッ素樹脂をカーボン多孔体に被覆して構成したカーボン層３を用いた場合にも見られた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１中の切断線Ａ−Ａ’にて切断した単セルの部分断面図を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１  セパレータ
２  カーボンペーパー
３  カーボン層
４  触媒層
５  電解質膜
６ａ、６ｂ  ガス流路
７  ガス拡散層
１０  単セル
２０  燃料電池
【図１】
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【図２】
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