(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性の固体高分子膜と、
この固体高分子膜を狭持する電極と、
この電極と接する面に凹状のガス流路を形成したセパレータとを備え、
前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通させて発電を行う燃料電池において、
前記電極は、前記固体高分子膜側に形成された電極触媒層と、セパレータ側に形成されたガス拡散層とからなり、
前記電極触媒層の、触媒を担持し、かつ、前記ガス流路と相対する領域と、前記ガス拡散層の前記ガス流路と相対する領域は、撥水性を備え、前記電極触媒層の、触媒を担持し、かつ、前記ガス流路と相対しない領域と、前記ガス拡散層の前記ガス流路と相対しない領域は、親水性を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層は、積層構造を有し、セパレータ側の層は、撥水性を備えた前記ガス流路と相対する領域と親水性を備えた他の領域とからなり、固体高分子膜側の層は、すべての領域が親水性を備えた領域からな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】
前記電極触媒層とガス拡散層の少なくとも一方は、積層構造を有し、セパレータ側の層は、撥水性を備えた前記ガス流路と相対する領域と親水性を備えた他の領域とからなり、固体高分子膜側の層は、すべての領域が親水性を備えた領域からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
電極触媒層とガス拡散層の前記ガス流路と相対する領域は、前記ガス流路の入口側ほど撥水性が強く、出口側ほど親水性が強くなるように前記電極を形成する請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、特に、プロトン伝導性固体高分子膜を狭持した一対の電極触媒層と、さらにその電極触媒層を外側から挟んだ一対のガス拡散層とで燃料の流路を形成する流路形成部材を備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロトン伝導性固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池では、プロトン伝導性固体高分子膜を挟んで一対の電極（酸素極と燃料極）に、水素を含有する燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、次式で示される化学反応が生じ、電気エネルギーが取出される。
【０００３】
カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
この電気化学反応を行うためには、酸素極側で、反応により生成する水を速やかに排出して酸素極側に酸化ガスを連続的に供給することが必要である。また、プロトン伝導性固体高分子膜が、高いプロトン伝導性を発現するためには、膜が十分に加湿されていることが必要であり、そのため、酸化ガス、燃料ガスは十分に加湿されて供給される。これらの加湿されたガスを燃料極、酸素極側ともにガス流路側から、プロトン伝導性固体高分子膜にまで、むらなく拡散させる必要がある。このように、燃料電池の電極においては、加湿されたガスをプロトン伝導性固体高分子膜にむらなく均一に供給することと、生成された水をガス流路側に効率よく、排出させるという異なる特性を両立することが要求される。
【０００４】
従来、この特性を両立する方法として、特開平９−２４５８００号公報、特開２０００−２５１９０４号公報に示されているように、電極層の部分がプロトン伝導性固体高分子膜側とガス流路側に撥水部を設け、その間を親水部とすることにより、燃料電池での電気化学反応により生じた生成水の一部を撥水部により弾いてプロトン伝導性固体高分子膜に押し戻すことにより、プロトン伝導性固体高分子膜が乾燥することを防止したり、流路形成部材の流路形成部分にかかわる部分とそれ以外の部分とで電極層を形成するガス拡散層のガス透過率を変更させることにより、電極層を形成し燃料電池反応を生ぜしめる触媒層への反応ガスの拡散性を均一化させて高い発電効率を得るようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９−２４５８００号公報は、電極層の部分がプロトン伝導性固体高分子膜側とガス流路側に撥水部を設け、その間を親水部とし燃料電池反応により生じた生成水の一部を撥水部から弾いてプロトン伝導性固体高分子膜に押し戻すことにより、プロトン伝導性固体高分子膜が乾燥することを防止する方法であり、加湿されたガスが流れる流路部分とそれ以外の部分について同様な処理を行っている。このため、ガスに含まれる加湿の水分や燃料電池反応により生成された生成水は電極部分の平面方向で均一にならずに、ガス流路部分にのみ多くなってしまい、プロトン伝導性固体高分子膜に水分が均一に供されない。
【０００６】
また、特開２０００−２５１９０４号公報においては、流路形成部材の流路形成部分にかかわる部分とそれ以外の部分とで電極層を形成するガス拡散層のガス透過率を変更させることにより、電極層を形成し燃料電池反応を生じせしめる触媒層への反応ガスの拡散性を均一化をはかっている。しかしながら、ガス透過率は変更させているが親水処理ないしは撥水処理については特に差を設けていない。このため、加湿されているガスがガス拡散層部分を通過する途中においてガス拡散層の表面に水分が付着してしまい十分にプロトン伝導性固体高分子膜に水分が供給されないという問題点があった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑み、加湿されたガス中の加湿水や電気化学反応により生成する水を電極層中に均一に分布させることが行える燃料電池を提案する。
【０００８】
第１の発明は、プロトン伝導性の固体高分子膜と、この固体高分子膜を狭持する電極と、この電極と接する面に凹状のガス流路を形成したセパレータとを備え、前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通させて発電を行う燃料電池において、前記電極は、前記固体高分子膜側に形成された電極触媒層と、セパレータ側に形成されたガス拡散層とからなり、前記電極触媒層の、触媒を担持し、かつ、前記ガス流路と相対する領域と、前記ガス拡散層の前記ガス流路と相対する領域は、撥水性を備え、前記電極触媒層の、触媒を担持し、かつ、前記ガス流路と相対しない領域と、前記ガス拡散層の前記ガス流路と相対しない領域は、親水性を備える。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記ガス拡散層は、積層構造を有し、セパレータ側の層は、撥水性を備えた前記ガス流路と相対する領域と親水性を備えた他の領域とからなり、固体高分子膜側の層は、すべての領域が親水性を備えた領域からなる。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、前記電極触媒層とガス拡散層の少なくとも一方は、積層構造を有し、セパレータ側の層は、撥水性を備えた前記ガス流路と相対する領域と親水性を備えた他の領域とからなり、固体高分子膜側の層は、すべての領域が親水性を備えた領域からなる。
【００１２】
第４の発明は、これら電極触媒層とガス拡散層の前記ガス流路と相対する領域は、前記ガス流路の入口側ほど撥水性が強く、出口側ほど親水性が強くなるように前記電極を形成する。
【００１３】
【発明の効果】
第１の発明は、燃料電池の電極は、固体高分子膜側に形成された電極触媒層と、セパレータ側に形成されたガス拡散層とからなり、前記電極触媒層の、触媒を担持し、かつ、前記ガス流路と相対する領域と、前記ガス拡散層の前記ガス流路と相対する領域は、撥水性を備え、前記電極触媒層の、触媒を担持し、かつ、前記ガス流路と相対しない領域と、前記ガス拡散層の前記ガス流路と相対しない領域は、親水性を備えるように形成した。
【００１４】
このような構成を有する燃料電池においては、プロトン伝導性高分子膜と電極触媒層との界面で電気化学反応により生成した水あるいはガス流路を流れるガスに含まれる加湿水は、電極部分へ移動する。移動した生成水あるいは加湿水は撥水部分でははじかれ、親水部分に選択的に移動していく。本発明においては、ガス流路に相対する電極の領域を撥水性を有するように処理し、それ以外の部分は親水性を有する処理を行っている。このため、ガス流路から流入した加湿水あるいは電気化学反応で生じた生成水は撥水処理を行った部分で弾かれ、ガス流路に相対する部分以外の親水領域に移動していく。このため、電極においては平面状での水分の分布が均一となり固体高分子膜への水分供給および、ガス流路への水の排出も均一化され、発電性能の向上あるいは信頼性を向上させることができる。
【００１５】
第２の発明においては、電極触媒層とガス拡散層の少なくとも一方は、積層構造を有し、セパレータ側の層は、撥水性を備えた前記ガス流路と相対する領域と親水性を備えた他の領域とからなり、固体高分子膜側の層は、すべての領域が親水性を備えた領域からなるため、ガスの流路から流入する加湿水は、電極部分の全体が親水性となっている部分により拡散し、速やかに電極部分での水分分布の均一化をはかることができる。
【００１７】
第４の発明では、電極触媒層とガス拡散層のガス流路と相対する領域は、前記ガス流路の入口側ほど撥水性が強く、出口側ほど親水性が強くなるように前記電極を形成する。これにより、加湿されたガスはガス流路の入口部分では、より撥水性の高い電極部分と接触し、より親水性の高いガス出口方向へと加湿水が移動する。このため、ガス流路の入口と出口部分での電極部分の水分分布が均一化され、プロトン伝導性高分子膜への水分供給も均一に行われ電性能の向上あるいは信頼性を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す燃料電池の発電部の構成を示す断面図である。プロトン伝導性固体高分子電解質膜（以下、高分子膜という）１を挟んで、その両側に電極触媒層３が、配置されている。さらにこの電極触媒層３の両外側にガス拡散層４を配置する。電極触媒層３とガス拡散層４とが燃料電池の電極５を形成する。さらにその外側に燃料ガスまたは酸化ガスが流通するガス流路６を形成したセパレータ板７を配置している。図２は、同様な燃料電池用電極５の平面を高分子膜側より見た構成を示す図である。ガス流路形成部材であるセパレータ板７には、溝８が構成され、燃料ガス及び酸化ガスを形成された溝８に沿って流通可能としている。そのガス流路６を覆う形で電極５が配置されている。
【００１９】
次に、高分子膜１の両側に配した電極触媒層３の調製方法について、説明する。粒径が数ミクロン以下のカーボンブラック粒子に塩化白金酸溶液を用いて、白金を含浸担持させる。この時に、白金を還元した状態とするため、還元処理を行う。この時の白金の担持量は、例えば調整後に５０重量％となるように調製した。調製した白金担持カーボンブラック粉末を用いて、高分子電解質、アルコール溶液、水とを用いて親水性のカーボンブラックスラリーと、フッ素樹脂粉末の水性ディスバージョン、高分子電解質、アルコール溶液、水とを用いて撥水性のカーボンブラックスラリーを調製した。この調製した親水性カーボンブラックと撥水性カーボンブラックを用いて、高分子膜１の表面に飛沫状にして、塗布を行い、電極触媒層３を形成する。この時に、セパレータ板７の燃料ガス等のガスが流通するガス流路６と対面する撥水部分（以下、撥水領域３ａという。図１において斜線部で示す。以下、他の図面においても斜線部は撥水領域を示す。）には撥水性カーボンブラックスラリーを塗布し、それ以外の領域（親水領域）３ｂについては親水性カーボンブラックスラリーを塗布するようにする。
【００２０】
次にガス拡散層４の撥水処理について説明する。厚さ４００ミクロンのカーボン不織布の電極触媒層３側に、撥水処理を施したいセパレータ板７のガス流路６に面する部分を切り欠いたパターンをかぶせ、電極触媒層３側からフッ素樹脂粉末の水性ディスバージョンを飛沫状にして塗布する。この時に、フッ素樹脂粉末の水性ディスバージョンを塗布するのと同時に、ガス流路６側から真空ポンプにより空気を吸い込んでカーボン不織布の断面方向へのフッ素樹脂粉末の拡散させて、断面方向について撥水剤が均一に行き渡るようにしてもよい。このようにしてフッ素樹脂粉末を付着させた、カーボン不織布を乾燥後、４００℃で熱処理してガス拡散層４を形成する。
【００２１】
このようにして調製した、ガス拡散層４を、高分子膜１にカーボンブラックを塗布して形成された電極触媒層３にのせ、温度１４０℃、圧力１００ｋｇｆ／ｃｍ2で９０秒間ホットプレスして、接合一体化をはかる。電極触媒層３とガス拡散層４とを接合一体化した燃料電池用の電極５を用い、その両側からガス流路６を有するセパレータ板７で挟み、燃料電池の単電池を得た。
【００２２】
このようにして形成された単電池の特性評価を行った。特性評価は、電流密度を０から１．２Ａ／ｃｍ2まで流し、その時の電圧変化を測定して、図３に示す燃料電池単セルのＩ−Ｖ特性を得た。電極触媒層のカーボンブラックスラリーとして、撥水性のカーボンブラックスラリーのみを用いたもの（図３中の比較例１）と比較すると、電流密度が高くなるほど本発明の単セルの出力電圧（実施例１で示す）が比較例１より向上していることが明らかである。
【００２３】
次に作用について説明する。
【００２４】
高分子膜１と電極触媒層３との界面で電気化学反応により生成した水あるいはガス流路６を流れるガス（燃料ガスまたは酸化ガス）に含まれる加湿水は、電極９内へ移動する。移動した生成水あるいは加湿水は電極触媒層３あるいはガス拡散層４の撥水領域３ａで弾かれ、親水領域３ｂに選択的に移動、拡散していく。
【００２５】
本発明においては、セパレータ板７のガス流路６に対面する領域３ａに撥水性を有するように処理し、それ以外の領域３ｂは親水性を有する処理を行っている。したがって、ガス流路６から流入した加湿水あるいは電気化学反応により生成した生成水は、撥水処理を施した領域３ａで弾かれ、ガス流路６に対面する部分以外の親水領域３ｂに移動していく。このため、電極部分においては平面状での水分の分布が均一となり高分子膜１への水分供給および、ガス流路６への水の排出も均一化され、燃料電池の発電性能の向上あるいは信頼性を向上させることができる。
【００２６】
図４は第２の実施形態を示す構成図であり、図１に示す第１の実施形態の構成に対して、ガス拡散層４を２層構造にし、ガス流路６側のガス拡散層４Ａは第１の実施形態のガス拡散層４と同様の構成としつつ、高分子膜１側のガス拡散層４Ｂは、その全面を親水性カーボン不織布を用いて親水性とした構成を有するようにしたものである。
【００２７】
したがって、ガス流路６側の電極部分に対峙して撥水性、それ以外で親水性を有するガス拡散層４Ａを形成させ、さらにその高分子膜１側に全面を親水性としたガス拡散層４Ｂを設けているため、ガス流路６から流入する加湿水は、電極部分の全体が親水性となっているガス拡散層４Ｂにより拡散し、速やかに電極部分での水分分布の均一化をはかることができる。
【００２８】
図５は第３の実施形態の構成を示す図であり、本実施形態は、第２の実施形態に対して、電極触媒層３を２層とした点が異なる。すなわち、２層の電極触媒層のうち、ガス拡散層４側の電極触媒層３Ａの構成は、第２の実施形態の電極触媒層３と同様であり、高分子膜１側の電極触媒層３Ｂは、その全面を親水性カーボンブラックを塗布して親水性として形成されている。
【００２９】
したがって、第２の実施形態に比して、より一層速やかに電極部分での水分分布の均一化をはかることができる。
【００３０】
図６は、第４の実施形態の構成を説明する図であり、本実施形態は、第２の実施形態に対して、電極触媒層３の構成を変更したものである。すなわち、電極触媒層３を撥水性カーボンスラリーによってのみ形成したものである。
【００３１】
前記のガス拡散層の２層構造に加えて、高分子膜１側に全面が撥水性となる電極触媒層３を設けることにより、高分子膜１において生成した生成水も撥水性の領域から親水性の領域に移動し、より電極部分での水分布の均一化をはかることが可能となる。
【００３２】
図７は、第１から第４の実施形態の構成を用いて、燃料電池内のガス流路６に対面する電極触媒層３とガス拡散層４の撥水性を有する領域と親水性を有する領域の比率をガスの入口側ほど、撥水性を有する領域の割合を高く（例えば、発生性領域７：親水性領域３）、下流側ほど親水性を有する領域の割合を高くするように（図７では中央部で５：５、下流部で３：７）構成したものを説明する図である（第５の実施形態）。電極触媒層３での撥水性と親水性の割合の調整は、撥水性カーボンブラックスラリーと親水性カーボンブラックスラリーとの高分子膜１への塗布量を制御することで可能であり、一方、ガス拡散層４での撥水性と親水性の割合の調整は、撥水剤であるフッ素樹脂粉末の水性ディスパージョンの塗布量を制御することで可能である。
【００３３】
したがって、ガス流路６の入口方向から出口方向に向けて電極部分でガス流路６に対面する部分での撥水性／親水性の比率を減少させることにより、加湿されたガスは、ガス流路６の入口部分では、より撥水性の高い電極部分と接触し、より親水性の高いガス出口方向へと加湿水が移動する。このため、ガス流路の入口と出口部分での電極部分の水分分布が均一化され、高分子膜１への水分供給も均一に行われ発電性能の向上あるいは信頼性を向上させることができる。
【００３４】
なお、これまでの実施形態において、ガス拡散層４を形成するためにカーボン不織布を用いたが、これに限られず、例えば、カーボンペーパ（第６の実施形態）やカーボン繊維（第７の実施形態）を用いて調製することも可能である。
【００３５】
カーボン繊維からカーボン不織布を調製する場合には、撥水性のカーボン繊維としてのフッ素樹脂粉末の水性ディスパージョンを付着させたカーボン繊維と、親水性のカーボン繊維としてフッ素樹脂粉末の水性ディスパージョンを付着させないカーボン樹脂とを、それぞれ二次平面内で無作為に配向させてカーボン不織布を形成する。
【００３６】
二次平面内で無作為に配向させる方法としては、液体の媒体中にカーボン繊維を分散させて製造する湿式法や、空気中でカーボン繊維を分散させて降り積もらせる乾式法を用いることができる。そして、撥水領域と親水領域との割合は、撥水性のカーボン繊維と親水性のカーボン繊維との比率を調整することで制御可能である。このようにして、電気化学反応で生成された水やガス中の加湿水の燃料電池内での分布を均一にすることができ、発電効率を向上することができる。
【００３７】
これまで説明してきた実施形態毎の出力特性を測定した結果を表１に示す。この結果の評価条件は、電極の面積が２５ｃｍ2である単セルを用いてセル温度８０℃、水素ガスおよび酸化ガスとして空気を用いた。加湿条件は、水素ガス、空気ガス側とも１００％とした。
【００３８】
【表１】
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本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池の発電部の構成を示す断面図である。
【図２】燃料電池用電極の平面を高分子膜側より見た構成を示す図である。
【図３】燃料電池単セルのＩ−Ｖ特性図である。
【図４】第２の実施形態の図１に対応する部分を示す構成図である。
【図５】第３の実施形態の図１に対応する部分を示す構成図である。
【図６】第４の実施形態の図１に対応する部分を示す構成図である。
【図７】第５の実施形態の図２に対応する部分を示す構成図である。
【符号の説明】
１  高分子膜
３  電極触媒層
４  ガス拡散層
５  電極
６  ガス流路
７  セパレータ板
８  溝
【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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【図６】
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【図７】
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