(57)【要約】    【課題】  ガス拡散性の向上を図ることができる拡散層と、この拡散層を備えた膜・電極接合体及び燃料電池と、を提供する。    【解決手段】  導電性を有するとともに厚さ方向に貫通孔が形成され、電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２を被覆する拡散層１３である。所定面積以上の孔面積を有する貫通孔（大径貫通孔１３ａ）は、水分の通過を許容して電解質膜１１と拡散層１３との間の水圧を所定圧力以下に維持する機能を有する。所定面積未満の孔面積を有する貫通孔（小径貫通孔１３ｂ）は、所定圧力以下の水分の通過を抑制する一方、ガスの通過を許容する機能を有するガス通過用貫通孔である。    【選択図】  図３
2007042435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有するとともに厚さ方向に貫通孔が形成され、電解質の両面に設けられた電極用の触媒層を被覆する拡散層であって、
前記貫通孔は、所定圧力以下の水分の通過を抑制する一方、ガスの通過を許容する機能を有するガス通過用貫通孔を含む拡散層。
【請求項２】
少なくとも前記貫通孔の周囲部分に撥水処理が施されてなる請求項１に記載の拡散層。
【請求項３】
前記貫通孔は、孔面積が異なる少なくとも２種類のものを含み、
所定面積以上の孔面積を有する貫通孔は、水分の通過を許容して前記電解質と前記拡散層との間の水圧を所定圧力以下に維持する機能を有する一方、所定面積未満の孔面積を有する貫通孔は、前記ガス通過用貫通孔である請求項１又は２に記載の拡散層。
【請求項４】
前記貫通孔以外の部分は、電極として機能する請求項１から３の何れか一項に記載の拡散層。
【請求項５】
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に設けられた電極用の触媒層と、
前記触媒層を被覆する請求項１から４の何れか一項に記載の拡散層と、
を備える膜・電極接合体。
【請求項６】
電解質と、
前記電解質の両面に設けられた電極用の触媒層と、
前記触媒層を被覆する請求項１から４の何れか一項に記載の拡散層と、
を備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡散層、膜・電極接合体及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電解質膜の両面に電極用の触媒層を設けて形成した膜・電極接合体と、この膜・電極接合体を挟持するセパレータと、を備えた燃料電池が提案され、実用化されている。かかる燃料電池を含む燃料電池システムにおいては、燃料電池の膜・電極接合体を構成する一方の触媒層（アノード電極）にアノードガスを、他方の電極（カソード側電極）にカソードガスを、各々供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。
【０００３】
ところで、燃料電池の膜・電極接合体の触媒層には、外部からセパレータを介して電極に供給される反応ガス（アノードガス及びカソードガス）を拡散させる機能を有する「拡散層」が覆設されるのが一般的である。かかる拡散層の基材として従来はカーボンペーパやカーボンクロスが採用されていたが、近年においては、電気化学反応で生成される水分（以下「生成水」という）の排出性の向上等を目的として、炭素繊維からなる基材に撥水ペーストを塗布して薄型の拡散層を構成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平８−７８９７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、特許文献１に記載の拡散層は、炭素繊維からなる基材を採用しているため、ガス拡散用の細孔の大きさを充分に制御することができない。従って、高出力時における電気化学反応により大量の生成水が生成されたような場合には、かかる生成水によりガスの拡散が阻害されてしまい、発電効率の低下がもたらされるという問題があった。
【０００５】
本発明は、ガス拡散性の向上を図ることができる拡散層と、この拡散層を備えた膜・電極接合体及び燃料電池と、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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る拡散層は、導電性を有するとともに厚さ方向に貫通孔が形成され、電解質の両面に設けられた電極用の触媒層を被覆する拡散層であって、貫通孔は、所定圧力以下の水分の通過を抑制する一方、ガスの通過を許容する機能を有するガス通過用貫通孔を含むものである。
【０００７】
かかる構成を採用すると、ガス通過用貫通孔により、所定圧力以下の水分の通過を抑制する一方、ガスの通過を許容することができるので、高出力時において大量の生成水が生成されたような場合においても、生成水によりガスの拡散が妨げられることを抑制することができ、ガス拡散性を格段に向上させることができる。
【０００８】
前記拡散層において、少なくとも貫通孔の周囲部分に撥水処理が施されてなることが好ましい。
【０００９】
このようにすることにより、電解質と拡散層との間に所定量・所定圧力の生成水を保持することができ、電解質の乾燥を防ぐことができる。また、貫通孔の周囲部分に撥水処理が施されていれば、生成水は表面張力により貫通孔の中に入らないため、ガス拡散性の向上に寄与することができる。
【００１０】
また、前記拡散層において、貫通孔は、孔面積が異なる少なくとも２種類のものを含み、所定面積以上の孔面積を有する貫通孔は、水分の通過を許容して電解質と拡散層との間の水圧を所定圧力以下に維持する機能を有する一方、所定面積未満の孔面積を有する貫通孔は、ガス通過用貫通孔であるのが好ましい。
【００１１】
このようにすることにより、大きい孔面積を有する貫通孔を介して生成水を排出して、電解質と拡散層との間の水圧を所定圧力以下に維持することができる。従って、電解質と拡散層との間の水圧が上昇し過ぎて拡散層が電解質から剥離することを抑制することができる。また、小さい孔面積を有する貫通孔を介して、所定圧力以下の水分の通過を抑制しながらガスの通過を許容することができる。
【００１２】
また、前記拡散層において、貫通孔以外の部分は、電極として機能するものとすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る膜・電極接合体は、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられた電極用の触媒層と、これら触媒層を被覆する前記拡散層と、を備えるものである。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池は、電解質と、この電解質の両面に設けられた電極用の触媒層と、これら触媒層を被覆する前記拡散層と、を備えるものである。
【００１５】
かかる構成を採用すると、高出力時におけるガス拡散性に優れた拡散層を備えるので、発電効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池の高出力時において大量の生成水が生成されたような場合においても、生成水によりガスの拡散が妨げられることを抑制することができ、ガス拡散性を格段に向上させることができる。
【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、本発明の実施形態に係る燃料電池について説明する。以下の各実施形態に係る燃料電池は、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池である。
【００１８】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池１の構成について説明する。燃料電池１は、複数の単電池１０を積層したスタック本体２を備えており、スタック本体２の両端に位置する単電池１０の外側に、出力端子付の集電板３、絶縁板４及びエンドプレート５がこの順に配置されて構成されている。両エンドプレート５の間には図示していないテンションプレートが架け渡され、これらテンションプレートが各々エンドプレート５にボルト固定されることにより、単電池１０の積層方向に所定の圧縮力が加えられるようになっている。
【００１９】
次に、図２〜図４を用いて、単電池１０の構成について説明する。単電池１０は、図２に示すように、電解質膜１１、電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２、触媒層１２の外側に配設される拡散層１３、反応ガス流路が設けられたセパレータ１４、拡散層１３とセパレータ１４との間をシールするシール部材１５等から構成されている。電解質膜１１、触媒層１２及び拡散層１３により、本実施形態に係る膜・電極接合体が構成される。
【００２０】
電解質膜１１は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、主として、アノードガスから供給された水素イオンをアノード電極からカソード電極へと移動させる機能を有する。
【００２１】
触媒層１２は、電解質膜１１に隣接配置され、例えば、固体電解質と、炭素粒子と、その炭素粒子に担持された触媒と、を備えている。かかる触媒層１２と後述する拡散層１３とによってアノード電極及びカソード電極が構成される。触媒としては、例えば、白金又は白金合金等が好適に用いられる。なお、電解質膜１１及び触媒層１２は何れも平面視で矩形形状を呈しており、図２に示すように、電解質膜１１は触媒層１２よりも広い面積を有している。
【００２２】
拡散層１３は、流体（生成水及び反応ガス）を通過させる機能と、触媒層１２及びセパレータ１４を導通させる機能と、を有する導電体であり、燃料電池１の外部からセパレータ１４を介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２側へ移動させるものである。
【００２３】
本実施形態における拡散層１３は、図２及び図３に示すように、平面視矩形形状で電解質膜１１と略同一面積を有する厚さ５０μｍ〜４００μｍの金属薄膜と、この金属薄膜の厚さ方向に穿設された複数の貫通孔と、から構成されており、貫通孔以外の部分は流体の通過を遮断しかつ電極として機能する。金属薄膜を構成する金属材料としては、アルミニウム、鉄、銅、チタン、ニッケル、各種合金（ステンレス等）等を採用することができる。貫通孔としては、図３（ａ）に示すように、大小２種類のもの（大径貫通孔１３ａ及び小径貫通孔１３ｂ）を採用しており、金属薄膜の長手方向及び幅方向に沿って大小の貫通孔が交互に配置されるようになっている。また、本実施形態においては、電解質膜１１と拡散層１３との間に所定圧力（１５ｋＰａ）で生成水を保持して電解質膜１１の乾燥を抑制する目的で、拡散層１３の表面に所定厚さ（例えば１０μｍ）の撥水膜を設けている。
【００２４】
拡散層１３に穿設された大径貫通孔１３ａは、図３（ａ）に示すように平面視で真円形状を呈しており、電気化学反応により生成されて電解質膜１１（触媒層１２）と拡散層１３との間に溜まった生成水の通過を許容する機能を果たすものである。本実施形態においては、大径貫通孔１３ａの径を２０μｍ〜３０μｍの範囲に設定することにより、電解質膜１１と拡散層１３との間の水圧を１５ｋＰａ以下（１１ｋＰａ〜１５ｋＰａの範囲）に設定している。
【００２５】
大径貫通孔１３ａの径が２０μｍ未満であると、図４に示すように、大径貫通孔１３ａにより発生する毛管吸引力が１５ｋＰａを超えてしまうため、拡散層１３から大径貫通孔１３ａを介してセパレータ１４側に生成水を排出するためには、１５ｋＰａを超える水圧が必要となる。従って、電解質膜１１と拡散層１３との間の水圧が１５ｋＰａを超え、拡散層１３が電解質膜１１から剥離する場合があるため、好ましくない。一方、大径貫通孔１３ａの径が３０μｍを超えると、図４に示すように、大径貫通孔１３ａにより発生する毛管吸引力が１１ｋＰａ未満となり、電解質膜１１と拡散層１３との間の生成水が排出され過ぎて電解質膜１１が乾燥してしまうことが想定されるため、好ましくない。
【００２６】
拡散層１３に穿設された小径貫通孔１３ｂは、図３（ａ）に示すように平面視で真円形状を呈しており、所定圧力（１５ｋＰａ）以下の水分の通過を抑制する一方、反応ガスの通過を許容する機能を果たすものであり、本発明におけるガス通過用貫通孔である。本実施形態においては、小径貫通孔１３ｂの径を５μｍ〜９μｍの範囲に設定しており、拡散層１３から小径貫通孔１３ｂを介してセパレータ１４側に生成水を排出するためには、少なくとも３０ｋＰａを超える水圧が必要となるように構成されている。
【００２７】
小径貫通孔１３ｂの径が５μｍ未満であると、反応ガスの排出性が低下する可能性がある。一方、小径貫通孔１３ｂの径が９μｍを超えると、図４に示すように、小径貫通孔１３ｂにより発生する毛管吸引力が３０ｋＰａ未満となり、電解質膜１１と拡散層１３との間に水が入り易くなり、反応ガスの通過が阻害される可能性があるため、好ましくない。
【００２８】
なお、本実施形態においては、小径貫通孔１３ｂにより発生する毛管吸引力が、電解質膜１１と拡散層１３との間の水圧（１５ｋＰａ）の２倍以上（３０ｋＰａ以上）になるように設定した例を示したが、必ずしもここまでの余裕度を設ける必要はない。例えば、所定圧力１５ｋＰａの生成水の排出を抑制できる寸法（２０μｍ）未満の任意の値（例えば１５μｍ）に小径貫通孔１３ｂの径を設定することができる。すなわち、大径貫通孔１３ａが径２０μｍ以上であって、小径貫通孔１３ｂが径２０μｍ未満であればよく、大径貫通孔１３ａと小径貫通孔１３ｂとの境界となる面積（本発明における所定面積）は１００π（μｍ2）（＝π×１０×１０）である。
【００２９】
セパレータ１４は、積層された各々の単電池１０同士を区切る境界であり、隣接する単電池１０間でアノード電極とカソード電極とが接触することによる単電池１０同士の短絡を防止する機能と、隣接する単電池１０同士を導通させる機能と、を有する。セパレータ１４はシール部材１５を介して拡散層１３に隣接配置され、その拡散層１３側の面には反応ガス流路１４ａが形成されている。また、セパレータ１４には、反応ガスの入口及び出口となるマニホールド１４ｂが設けられており、マニホールド１４ｂは反応ガス流路１４ａに連通するようになっている。なお、セパレータ１４は、電子伝導性が高く、耐食性に優れており、しかもガス雰囲気において金属イオンを放出しないという特性を有するように構成される。かかる条件を満足する材料として、例えば、カーボン等の炭素質材料やステンレス鋼等の金属材料が採用される。
【００３０】
以上説明した実施形態に係る燃料電池１の拡散層１３においては、小径貫通孔１３ｂ（ガス通過用貫通孔）により、所定圧力（１５ｋＰａ）以下の水分の通過を抑制する一方、反応ガスの通過を許容することができるので、燃料電池１の高出力時において大量の生成水が生成されたような場合においても、生成水により反応ガスの拡散が妨げられることを抑制することができ、ガス拡散性を格段に向上させることができる。
【００３１】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１の拡散層１３においては、表面に撥水処理を施しているため、電解質膜１１（触媒層１２）と拡散層１３との間に所定量・所定圧力の生成水を保持することができ、電解質膜１１の乾燥を防ぐことができる。また、貫通孔（大径貫通孔１３ａ及び小径貫通孔１３ｂ）の周囲部分に撥水処理を施すと、生成水は表面張力により貫通孔の中に入らないため、ガス拡散性の向上に寄与することができる。
【００３２】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１の拡散層１３においては、大径貫通孔１３ａを介して生成水を排出して、電解質膜１１と拡散層１３との間の水圧を所定圧力（１５ｋＰａ）以下に維持することができる。従って、電解質膜１１と拡散層１３との間の水圧が上昇し過ぎて拡散層１３が電解質膜１１から剥離することを抑制することができる。
【００３３】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１の拡散層１３においては、貫通孔（大径貫通孔１３ａ及び小径貫通孔１３ｂ）以外の部分は反応ガスを通過させないため、貫通孔の態様（孔面積、形状、個数等）とガス拡散性との相関関係を明確にすることができる。従って、貫通孔の態様を種々変更してガス拡散性を調整することができる。
【００３４】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１は、高出力時におけるガス拡散性に優れた拡散層１３を備えるので、高い発電効率を有するものとなる。
【００３５】
なお、以上の実施形態においては、拡散層１３の表面全体に撥水処理を施した例を示したが、電解質膜１１側の面にのみ撥水処理を施してもよい。また、大径貫通孔１３ａ及び小径貫通孔１３ｂの周囲部分にのみ撥水処理を施してもよい。撥水性材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、テトラフルオロエチレンーペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレンーヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレンーエチレン共重合体等を採用することができる。
【００３６】
また、以上の実施形態においては、平面視で真円形状の貫通孔を採用した例を示したが、貫通孔の平面形状はこれに限定されるものではない。また、以上の実施形態においては、大小２種類の貫通孔（大径貫通孔１３ａ及び小径貫通孔１３ｂ）を採用した例を示したが、大小合わせて３種類以上の貫通孔（例えば、所定面積以上の大径貫通孔２種類、所定面積未満の小径貫通孔１種類）を採用することもでき、種類毎の個数も適宜変更することができる。また、以上の実施形態においては、金属薄膜の長手方向及び幅方向に沿って大小の貫通孔を交互に配置した例を示したが、貫通孔の位置はこれに限定されるものではない。
【００３７】
また、以上の実施形態においては、電解質膜１１と拡散層１３との間の生成水の圧力（水圧）を「１５ｋＰａ」に設定した例を示したが、かかる水圧の値は、拡散層１３の面積や厚さ、拡散層１３を構成する金属材料の種類、貫通孔の形状、貫通孔の広がり方、バリ形状、角部の面取り度合い等の加工精度、燃料電池１の規模や使用態様等に応じて適宜変更することができる。また、電解質膜１１と拡散層１３との間の生成水の圧力（水圧）の設定値を変更する場合には、その設定値に応じて大径貫通孔及び小径貫通孔の径（面積）を変更するようにする。
【００３８】
また、以上の実施形態においては、拡散層を「金属薄膜」で構成した例を示したが、金属以外の材料（例えば導電性樹脂等）で拡散層を構成することもできる。また、金属以外の導電性薄膜に金メッキ等の表面処理を施して拡散層を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１に示した燃料電池を構成する単電池の分解斜視図である。
【図３】図２に示した単電池を構成する拡散層を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図４】図３に示した拡散層に設けられる貫通孔の径と毛管吸引力との関係を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池、１１…電解質膜（電解質）、１２…触媒層、１３…拡散層、１３ａ…大径貫通孔（所定面積以上の孔面積を有する貫通孔）、１３ｂ…小径貫通孔（所定面積未満の孔面積を有する貫通孔、ガス通過用貫通孔）
【図１】
2007042435.tif 000003
【図２】
2007042435.tif 000004
【図３】
2007042435.tif 000005
【図４】
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