JP2005294115A - 燃料電池構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部に閉鎖空間を有することなく、かつ、ガス透過性及び導電性に優れる触媒層及び／又は拡散層を有する燃料電池を提供する。
【解決手段】 触媒層１１、２１及び拡散層１２、２２を備えるカソード１０並びにアノード２０と、カソード１０とアノード２０との間に配置される電解質１とを備えるＭＥＡ５の両側に、セパレータ３０、４０が配設された燃料電池であって、拡散層１２、２２は、基材１４、２４と撥水層１３、２３とを備え、触媒層１１、２１及び撥水層１３、２３は、炭素粒子５０、５１を含有するとともに、触媒層１１、２１及び／又は撥水層１３、２３は、さらに炭素繊維５５を含有し、触媒層１１、２１及び／又は撥水層１３、２３に含有される炭素粒子５５の質量をＭとするとき、触媒層１１、２１及び／又は撥水層１３、２３に含有される炭素繊維５５は、以下の条件（１）〜（３）を満たす燃料電池とする。
繊維径：１〜１００ｎｍ （１）
アスペクト比：５０以上 （２）
含有量：０．１Ｍ〜０．２Ｍ （３）
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池の構造に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤とを電極に供給することにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムである。
燃料電池の主な構成要素は、電解質と、その両側に配置される空気極（「カソード」ともいう。）、及び燃料極（「アノード」ともいう。）と、さらにそれらの外側に配置されるセパレータ等であり、固体高分子形燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）の場合、高分子のイオン交換膜が電解質として使用される。そして、ＰＥＦＣの空気極及び燃料極は、電解質膜側の触媒層と、セパレータ側の拡散層とにより構成される。

燃料電池システムの作動時において、燃料電池の触媒層や拡散層には、一般に、様々な特性が要求される。例えば、触媒層に要求される特性としては、ガス透過性、及び電子伝達性等を挙げることができ、拡散層にもこれらと同様の特性が要求される。触媒層及び拡散層は、燃料電池内の反応に係るガス、及び電子等の移動経路としての機能を有する必要があるため、これらの部材の機能は、燃料電池の性能を左右し得る重要な要素である。

燃料電池の性能向上を目的として、これまでに種々の研究がなされてきており、触媒層や拡散層に関する技術もいくつか開示されている。例えば、特許文献１には、ガス拡散性の向上と余剰水の排水管理を容易にする燃料電池の接合体及びその製造方法に関する技術が開示されている。
特開平８−７８９７号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術によれば、燃料電池の触媒層及び／又は拡散層に閉鎖空間が存在すると、そこが不純物たまりとなって電解質の分解を促進してしまうという問題があった。

そこで本発明は、内部に閉鎖空間を有することなく、かつ、ガス透過性及び導電性に優れる触媒層及び／又は拡散層を有する燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、触媒層及び拡散層を備えるカソード並びにアノードと、カソードとアノードとの間に配置される電解質とを備えるＭＥＡの両側に、セパレータが配設された燃料電池であって、拡散層は、基材と撥水層とを備え、触媒層及び前記撥水層は、炭素粒子を含有するとともに、触媒層及び／又は前記撥水層は、さらに炭素繊維を含有し、触媒層及び／又は撥水層に含有される炭素粒子の質量をＭとするとき、触媒層及び／又は撥水層に含有される炭素繊維は、以下の条件（１）〜（３）を満たすことを特徴とする、燃料電池である。
繊維径：１〜１００ｎｍ （１）
アスペクト比：５０以上 （２）
含有量：０．１Ｍ〜０．２Ｍ （３）
ここで、本発明の燃料電池における触媒層は、通常のＰＥＦＣにおいて使用される触媒層を使用することができ、その具体例としては、白金系の触媒を担持した炭素粒子とフッ素樹脂とを混合して形成される、触媒層等を挙げることができる。
一方、本発明の燃料電池における撥水層は、通常のＰＦＥＣにおいて使用される撥水層を使用することができ、その具体例としては、炭素粒子とポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂とを混合して形成される撥水層等を挙げることができる。

請求項１に記載の発明によれば、触媒層及び／又は撥水層に炭素繊維を含有させることにより、触媒層及び／又は撥水層内に新たにランダムな大きさや形状を備えた無数の空隙や孔が無秩序に生じ、触媒層及び／又は撥水層の性質を「密」なものから「疎」の方向へと変化させることができる。その結果、触媒層内のガス透過性が大幅に改善され、かつ層内に閉鎖空間が形成されるのを抑制することができる。また、炭素繊維を含有することにより、当該炭素繊維が、触媒層内に存在する炭素粒子間をつなぐ役割を果たすため、触媒層の導電性を向上させることができる。

本発明によれば、内部に閉鎖空間を有することなく、かつ、ガス透過性及び導電性に優れる触媒層及び／又は拡散層を有する燃料電池を提供することが可能になる。

以下、本発明の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、本発明をＰＥＦＣに適用した場合について記述する。

図１は、本発明の燃料電池の構成例を概略的に示す図である。本発明の燃料電池は、触媒層１１、２１及び拡散層１２、２２を備えるカソード１０並びにアノード２０と、これらの間に配置される電解質膜１とを備えるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）５の両側に、セパレータ３０、４０を配設してセル１００を構成する。そして、拡散層１２、２２は、撥水層１３、２３及び基材１４、２４を備え、撥水層１３、２３は触媒層１１、２１側に、基材１４、２４はセパレータ３０、４０側に、それぞれ配置されている。

本発明の特徴は、触媒層及び／又は撥水層に炭素繊維を加えることにより、ガス透過性及び導電性に優れる燃料電池とするものである。以下、その詳細について述べる。

まず、本発明の特徴を説明するため、従来の燃料電池におけるカソードの一部の拡大図を図２に示す。図２において、紙面の左右方向が、触媒層の面の法線方向である。なお、便宜上、触媒層等の上下を直線で記述した。
従来の燃料電池におけるカソード６０は、触媒層６１と拡散層６２とを備え、触媒層６１は、フッ素樹脂７５に、白金系の触媒を担持させた炭素粒子７０を分散させることにより形成される。１０μｍ程度の厚さを有する従来の触媒層６１は、その内部に、複数の炭素粒子７０からなる炭素塊が間隔を開けて分散される一方で、閉鎖空間７３を備える。この空間７３は、不純物溜まりとなり易く、電解質膜６３の劣化を促進させるという問題があった。また、炭素塊の間隔が開いているため、導電性が劣るという問題もあった。そこで、本発明は、触媒層及び／又は撥水層に炭素繊維を含有させることにより、内部に閉鎖空間を有しない触媒層及び／又は撥水層を得るとともに、ガス透過性及び導電性に優れる燃料電池とする。

図３は、図１におけるカソードの一部を拡大して、本発明の燃料電池における構成例を示す図であり、紙面の左右方向が、触媒層の面の法線方向である。なお、便宜上、触媒層等の上下を直線で記述した。
本発明の燃料電池におけるカソード１０は、触媒層１１、撥水層１３、及び基材１４を備え、触媒層１１は電解質膜１と撥水層１３との間に配置されるとともに、撥水層１３は、触媒層１１と基材１４との間に配置される。本発明において、１０μｍ程度の厚さを有する触媒層１１は、プロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂１５に、炭素粒子５０、５０、…及び炭素繊維５５、５５、…を分散させることにより形成される一方、撥水層１３は、フッ素系樹脂１６に、炭素粒子５１、５１、…及び炭素繊維５５、５５、…を分散させることにより形成される。なお、触媒層１１内の炭素粒子５０、５０、…には、３ｎｍ程度の大きさを有する白金系の触媒が担持されているのに対し、撥水層１３内の炭素粒子５１、５１、…には、触媒が担持されていない。

本構成例にかかる燃料電池では、触媒層１１及び撥水層１３に、炭素繊維５５、５５、…を含有させることにより、開空間１７及び１８が触媒層１１及び撥水層１３内に生じ、触媒層１１及び撥水層１３の性質を「密」から「疎」へと変化させる。その結果、ガスが開空間１７及び１８内を容易に透過し得るようになる。また、かかる空間がこれらの層１１、１３内に構築されることにより、水も当該空間を透過し得るため、触媒層１１及び撥水層１３の排水性を向上させることも可能になる。
一方で、触媒層１１は１０μｍ（＝１００００００ｎｍ）程度の厚さを有し、撥水層１３は、基材１４とともに２００μｍ（＝２００００００ｎｍ）程度の厚さを有する拡散層１２を形成している。そのため、触媒層１１及び撥水層１３の厚さは、炭素塊（大きさ５００ｎｍ程度）及び炭素粒子（大きさ３０ｎｍ程度）の大きさと比較して十分に厚いことから、炭素塊及び／又は炭素粒子は、これらの層内において間隔を開けて分散されている。
本発明において、触媒層１１及び／又は撥水層１３内に炭素繊維５５、５５、…を含有させることにより、当該繊維５５、５５、…が、複数の炭素粒子からなる炭素塊及び／又は炭素粒子の間をつなぐ役割を果たす。その結果、これらの層１１、１３の導電性を向上させることが可能になる。

上記効果をより効果的に得るため、本発明の燃料電池に含有させる炭素繊維は、以下の数値限定を行った。
（１）繊維径：１〜１００ｎｍ
触媒層及び／又は撥水層に上記空間を構築するという観点から、これらの層に含有させる炭素繊維の繊維径は１ｎｍ以上とする。また、ガス及び／又は水が透過し得る空間を確保するという観点から、繊維径は１００ｎｍ以下とする。かかる条件を満たすことにより、触媒層及び／又は撥水層のガス及び／又は水の透過性を向上させることが可能になる。
（２）アスペクト比：５０以上
触媒層及び／又は撥水層内において間隔を開けて分散されている炭素塊及び／又は炭素粒子間を効果的に埋めるという観点から、炭素繊維のアスペクト比は、５０以上とする。かかる条件を満たすことにより、炭素塊及び／又は炭素粒子が炭素繊維を介して繋がるため、触媒層及び／又は撥水層の導電性を向上させることが可能になる。
（３）含有量：０．１Ｍ〜０．２Ｍ
触媒層及び／又は撥水層内において間隔を開けて分散されている炭素塊及び／又は炭素粒子間を効果的に埋めるという観点から、本発明において含有させる炭素繊維は、含有対象である層（触媒層及び／又は撥水層）中に含まれている炭素粒子の質量をＭとするとき、０．１Ｍ〜０．２Ｍとする。触媒層及び／又は撥水層内に有意義な空間を構築するという観点から、含有させる炭素繊維の質量は、０．１Ｍ以上とする。一方、触媒層及び／又は撥水層内の空間が詰まり過ぎることを防止するという観点から、含有させる炭素繊維の質量は、０．２Ｍ以下とする。

本発明の燃料電池に含有される炭素繊維は、上記目的を達成し得る繊維であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等を好適に使用することができる。
また、本発明の燃料電池の触媒層及び撥水層における、樹脂及び炭素粒子には、従来の燃料電池において使用される材料を好適に使用することができる。例えば、触媒層における樹脂としてはプロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂（例えば、米国デュポン社製のナフィオン等）を、撥水層における樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン樹脂等を、炭素粒子としてはカーボンブラック等を、それぞれ挙げるがことができる。

本発明の燃料電池は、触媒層又は撥水層にのみ炭素繊維を含有させても良いが、ガス透過性、導電性、及び排水性をより一層向上させた燃料電池を提供できるという観点から、触媒層及び撥水層に炭素繊維を含有させることが好ましい。
なお、上記構成例では、カソード側の触媒層及び拡散層に焦点を当てて説明したが、本発明の燃料電池において炭素繊維が含有される触媒層及び拡散層は、カソードに限定されるものではなく、アノードの触媒層及び拡散層にも当該炭素繊維を含有させることが好ましい。
また、特に導電性を向上させるという観点から、本発明の燃料電池は、ＭＥＡを一体の構成物とすることが好ましい。一体のＭＥＡとすることにより、ＭＥＡが複数の構成物であることに起因する導電ロスを解消することができる。
さらに、本発明の燃料電池を、移動型の燃料電池（例えば、自動車等に使用される燃料電池）に利用する場合、セル内の拡散層基材は、その気孔率が高いことが好ましい。気孔率の高い基材とすることにより、当該基材の排水性を向上させることが可能になり、特に燃料電池の高発電時において多量に生成される水を、ＭＥＡ外に効果的に排出することが可能になる。一方で、本発明の燃料電池を定置型の燃料電池に利用する場合、その気孔率の値は特に限定されない。

本発明の一実施形態である燃料電池を示す図である。 従来の燃料電池におけるカソードの一部を拡大して示す図である。 図１におけるカソードの一部を拡大して示す図である。

符号の説明

１ 電解質膜
５ ＭＥＡ
１０ カソード
１１、２１ 触媒層
１２、２２ 拡散層
１３、２３ 撥水層
１４、２４ 基材
２０ アノード
３０、４０ セパレータ
５０、５１ 炭素粒子
５５ 炭素繊維

Claims (1)

1. 触媒層及び拡散層を備えるカソード並びにアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置される電解質とを備えるＭＥＡの両側に、セパレータが配設された燃料電池であって、
   前記拡散層は、基材と撥水層とを備え、
   前記触媒層及び前記撥水層は、炭素粒子を含有するとともに、
   前記触媒層及び／又は前記撥水層は、さらに炭素繊維を含有し、
   前記触媒層及び／又は前記撥水層に含有される前記炭素粒子の質量をＭとするとき、前記触媒層及び／又は前記撥水層に含有される前記炭素繊維は、以下の条件（１）〜（３）を満たすことを特徴とする、燃料電池。
   繊維径：１〜１００ｎｍ （１）
   アスペクト比：５０以上 （２）
   含有量：０．１Ｍ〜０．２Ｍ （３）
   
   

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