JP2008235188A - 燃料電池セル及び燃料電池積層体 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散層の親水化を抑制し、燃料電池性能の低下を抑制することができる燃料電池セル及び燃料電池積層体を提供する。
【解決手段】膜−電極アッセンブリを挟持する一対の拡散層と、前記拡散層の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータと、前記燃料電池セパレータ同士をシールするセパレータ用シール材とを備える燃料電池セルであって、前記セパレータ用シール材と前記拡散層との間に、撥水性低下抑制層を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セル及び燃料電池積層体の技術に関する。

一般的に燃料電池セルは、電解質膜の両側を挟持する一対の触媒層（アノード触媒層、カソード触媒層）を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両側を挟持する一対の拡散層（アノード拡散層、カソード拡散層）と、拡散層の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池の発電時には、アノード極（アノード触媒層及びアノード拡散層）に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極（カソード触媒層及びカソード拡散層）に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。

また、燃料電池セルの発電時では、上記反応により、水分が生成される他に、副反応により過酸化水素等が生成される場合がある。

発電時に生成した水分又は過酸化水素等は、燃料電池を構成する部材（燃料電池用セパレータ等）を酸化して、燃料電池セルを構成する部材から種々の成分（溶出成分）を溶出させる。そして、燃料電池セルを構成する部材から溶出した溶出成分が、他の燃料電池セルを構成する部材に吸着等することにより、燃料電池セルの発電性能の低下を引き起こす場合がある。

例えば、特許文献１には、発電時に生成した水分又は過酸化水素等によって、酸化された燃料電池用セパレータから溶出した金属イオンが、電解質膜等に吸着等しないように、燃料電池用セパレータ表面に金属イオンを吸着する膜を設けた燃料電池セルが提案されている。

また、例えば、特許文献２には、発電時に生成した水分又は過酸化水素等によって、燃料電池システムの配管に使用されるシール材から溶出する有機物を除去するために、配管にイオン交換樹脂を設けた燃料電池システムが提案されている。

また、例えば、特許文献３には、発電時に生成した水分又は過酸化水素等によって、燃料電池に使用されるシール材が、酸化されないようにするために、電解質膜を構成するポリマーをシール材に使用した燃料電池セルが提案されている。

図４は、一般的な燃料電池セルの模式断面図である。図４に示すシール材３４（セパレータ用シール材）は、燃料電池用セパレータ（アノード極セパレータ４２、カソード極セパレータ４４）同士をシールするためのものであり、拡散層（アノード極拡散層３８、カソード極拡散層４０）、膜−電極アッセンブリ３６の周囲を囲むように燃料電池用セパレータ上に設けられている。

一般的に、シール材３４には、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等を用いた接着剤等が使用されている。また、シール材３４の柔軟性を確保する場合には、上記熱硬化性樹脂等に可塑剤等を添加した接着剤等が使用されている。

燃料電池セル４の発電反応によって生成する水分又は過酸化水素等によって、シール材３４が酸化されると、シール材３４から例えば、可塑剤（フタル酸エステル等）、樹脂骨格（エポキシ成分）等が溶出成分として溶出される。

通常、燃料電池セル４に使用される拡散層は、発電時に生成する水分又は過酸化水素を燃料電池用セパレータの反応ガス流路（アノードガス流路４６、カソードガス流路４８）に排水するために、撥水化されている。しかし、発電時に生成した水分又は過酸化水素等によって、シール材３４から溶出した上記溶出成分が、拡散層に吸着等すると、撥水化されていた拡散層が、親水化してしまう場合がある。

拡散層が親水化してしまうと、発電時に生成した水分等が、拡散層内に滞留し易くなる。そして、拡散層内に水分が滞留すると、拡散層から触媒層への反応ガスの供給が妨げられるため、燃料電池セル４の電圧安定性が悪化する等、燃料電池性能が低下してしまう。

特許文献１の燃料電池セル及び特許文献２の燃料電池システムでは、上記問題が考慮されていないため、燃料電池セルの発電時に生成する水分又は過酸化水素により、燃料電池に使用されるシール材（例えば、燃料電池用セパレータ同士をシールするシール材）は酸化されてしまう。そして、酸化されたシール材からの溶出成分により、拡散層が親水化してしまう。

また、特許文献３の燃料電池セルでは、燃料電池セルの発電時に生成する過酸化水素は、非常に酸化力が強いため、電解質膜を構成するポリマーをシール材に用いても、過酸化水素によるシール材の酸化を抑制することはでない。そして、上記同様に酸化されたシール材からの溶出成分により、拡散層が親水化してしまう。

特開２０００−２４３４０８号公報 特開２００４−２８１２６８号公報 特開２００４−３１９１５３号公報

本発明は、拡散層の親水化を抑制し、燃料電池性能の低下を抑制することができる燃料電池セル及び燃料電池積層体である。

本発明は、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の拡散層と、前記拡散層の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータと、前記燃料電池用セパレータ同士をシールするセパレータ用シール材とを備える燃料電池セルであって、前記セパレータ用シール材と前記拡散層との間に、撥水性低下抑制層を備える。

また、前記燃料電池セルにおいて、前記撥水性低下抑制層は、前記セパレータ用シール材から溶出する溶出成分を吸着、補足、又は分解のいずれかを行う層を含むことが好ましい。

また、前記燃料電池セルにおいて、前記撥水性低下抑制層は、前記セパレータ用シール材から溶出する溶出成分を透過させない溶出成分不透過層を含むことが好ましい。

また、前記燃料電池セルにおいて、前記撥水性低下抑制層は、撥水剤を有する撥水剤含有層を含むことが好ましい。

また、前記燃料電池セルにおいて、前記撥水剤低下抑制層は、溶出成分を除去する除去剤を有する除去剤含有層を含むことが好ましい。

また、本発明は、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の拡散層と、前記拡散層の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータと、前記燃料電池用セパレータ同士をシールするセパレータ用シール材とを備える燃料電池セルが、燃料電池シール材を介して複数個積層された燃料電池積層体であって、前記拡散層と前記セパレータ用シール材との間に、撥水性低下抑制層を備える。

また、前記燃料電池積層体において、前記燃料電池積層体は、各燃料電池セルに反応ガスを給排するマニホールドを有し、前記燃料電池シール材と前記マニホールドとの間に撥水性低下抑制層を備えることが好ましい。

本発明によれば、セパレータ用シール材と拡散層との間に、撥水性低下抑制層を備えることによって、拡散層の親水化を抑制し、燃料電池性能の低下を抑制することができる燃料電池セル及び燃料電池積層体を提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池積層体の構成の一例を示す一部模式断面図である。燃料電池積層体１は、燃料電池セル２が燃料電池シール材１０を介して複数個積層したものであればよい。図１では、本実施形態に係る燃料電池積層体１のうち２個の燃料電池セル２が示されている。

図１に示すように、燃料電池セル２は、膜−電極アッセンブリ１２と、膜−電極アッセンブリ１２の両外側を挟持するアノード極拡散層１４及びカソード極拡散層１６と、アノード極拡散層１４及びカソード極拡散層１６の両外側を挟持するアノード極セパレータ１８及びカソード極セパレータ２０と、セパレータ用シール材２２と、撥水性低下抑制層２４とを備える。

アノード極セパレータ１８及びカソード極セパレータ２０の膜−電極アッセンブリ１２側の空洞部はそれぞれ、反応ガス流路としてのアノードガス流路２６及びカソードガス流路２８となっている。一方、アノード極セパレータ１８及びカソード極セパレータ２０の膜−電極アッセンブリ１２側と反対側の空洞部は、冷却水等の冷媒を供給するための冷媒流路３０となっている。

セパレータ用シール材２２は、アノード極セパレータ１８とカソード極セパレータ２０とをシールするものである。図１に示すように、アノード極セパレータ１８及びカソード極セパレータ２０上（アノード極セパレータ１８とカソード極セパレータ２０との間）に設けられたセパレータ用シール材２２によって、アノード極セパレータ１８とカソード極セパレータ２０とがシールされている。

セパレータ用シール材２２は、例えば、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、尿素系樹脂等の熱硬化性樹脂等を用いた接着剤、シリコン系ゴム、フッ素系ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム等を用いたガスケット等を使用することができる。また、セパレータ用シール材２２に柔軟性を付与する場合には、上記熱硬化性樹脂等にフタル酸エステル等の可塑剤を添加しても良い。

燃料電池シール材１０は、燃料電池セル２同士をシールするものである。図１に示すように、燃料電池セル２のアノード極セパレータ１８と他の燃料電池セル２のカソード極セパレータ２０との間に設けられた燃料電池シール材１０によって、燃料電池セル２同士がシールされている。

燃料電池シール材１０としては、例えば、上記説明した接着剤、ガスケット等を使用することができる。

撥水性低下抑制層２４は、図１に示すように、セパレータ用シール材２２と拡散層（アノード極拡散層１４又はカソード極拡散層１６）との間に設けられている。図２は、本実施形態に係る燃料電池積層体の積層方向からみた燃料電池セルの一部透過模式図である。図２では、燃料電池用セパレータ（アノード極セパレータ１８又はカソード極セパレータ２０）のみを透明なものとして表している。図２に示すように、セパレータ用シール材２２が、拡散層（アノード極拡散層１４又はカソード極拡散層１６）の周囲を囲むように配置されている場合には、撥水性低下抑制層２４は、セパレータ用シール材２２と拡散層との間に、拡散層の周囲を囲むように配置される。

図１に示す燃料電池セル２の発電時に生成する水分又は過酸化水素は、膜−電極アッセンブリ１２から、拡散層を介して、燃料電池用セパレータの反応ガス流路（アノードガス流路２６及びカソードガス流路２８）を通り、燃料電池セル２の系外へ排水される。しかし、上記でも説明したように、膜−電極アッセンブリ１２内の水分又は過酸化水素水が、セパレータ用シール材２２と接触すると、徐々にセパレータ用シール材２２が酸化され、セパレータ用シール材２２から溶出成分（例えば、エポキシ樹脂等の樹脂成分、可塑剤等）が溶出される。

このような溶出成分が、拡散層に流れ出して吸着等されると、拡散層が親水化されてしまうこととなるが、本実施形態では、拡散層とセパレータ用シール材２２との間に撥水性低下抑制層２４が設けられているため、拡散層の親水化を抑制することができる。以下、撥水性低下抑制層２４について具体的に説明する。

拡散層の親水化を抑制する撥水性低下抑制層２４は、セパレータ用シール材２２から溶出する溶出成分を吸着、捕捉、又は分解のいずれかを行う層、溶出成分を透過させない溶出成分不透過層、撥水剤を有する撥水剤含有層、溶出成分を除去する除去剤を有する除去剤含有層のうちいずれか１つを含むものである。したがって、撥水性低下抑制層２４は、上記これらの層を単独で用いたもの、又はこれらの層を組み合わせて積層したものであってもよい。また、これらの層の組み合わせ順序、これらの層の積層方向（燃料電池セルの積層方向（図１に示す矢印Ａ）、燃料電池セルの厚さ方向（図１に示す矢印Ｂ））等は特に制限されるものではない。

セパレータ用シール材２２から溶出する溶出成分を吸着する層は、層表面又は内部に溶出成分を吸着、捕捉させる吸着（捕捉）層であり、例えば、活性炭フィルタ、ゼオライト等を含む層である。また、セパレータ用シール材２２から溶出する溶出成分を分解する層は、溶出成分を酸化して、親水性を示さない成分に分解する層であり、例えば、Ｐｔ、Ａｕ等の金属系触媒を含む層である。このような、セパレータ用シール材２２から溶出する溶出成分を吸着、捕捉、又は分解する層を設けることによって、セパレータ用シール材２２から溶出する溶出成分を拡散層側に流れ出すことを抑制することができるため、拡散層の親水化を抑制することができる。

溶出成分を透過させない溶出成分不透過層としては、層内を溶出成分が透過できないものであり、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等が用いられる。このような、溶出成分不透過層をセパレータ用シール材２２と拡散層との間に設けることによって、セパレータ用シール材２２から溶出する溶出成分を拡散層側に流出することを抑制することができる。また、セパレータ用シール材２２と燃料電池セル２の発電時に生成する水分又は過酸化水素との接触を避けることもできるため、セパレータ用シール材２２から溶出成分が溶出し難くなる。したがって、拡散層の親水化を抑制することができる。

撥水剤含有層は、発電時に生成する水分又は過酸化水素水等と接触することによって、撥水剤含有層から撥水剤を溶出させる層であり、例えば、ＰＴＦＥの多孔体（フッ素系やシリコン系の撥水剤を含有させた）を含む層である。このような撥水剤含有層を設けることによって、撥水剤含有層から溶出する撥水剤が、拡散層に流れて拡散層を撥水化させることができる。したがって、セパレータ用シール材２２から溶出した溶出成分によって拡散層が親水化しても、撥水剤含有層から溶出する撥水剤が、再度拡散層を撥水化させる。

除去剤含有層は、発電時に生成する水分又は過酸化水素水等と接触することによって、除去剤含有層から溶出成分を除去する除去剤を溶出させる層であり、例えば、ＰＴＦＥの多孔体に乳化剤を含有させたもの等が用いられる。このような、除去剤含有層を設けることによって、除去剤含有層から溶出する除去剤が、拡散層に存在する溶出成分を取り除くことができる。したがって、セパレータ用シール材２２から溶出した溶出成分によって拡散層が親水化しても、除去剤含有層から溶出する除去剤が、拡散層の撥水性を回復させる。

以下、燃料電池セル２を構成するその他の部材について説明する。

アノード極セパレータ１８、カソード極セパレータ２０は、ガス不透過性、電子伝導性を有するものであれば、特に制限されるものではない。例えば、金属板又はカーボン板等を使用することができる。

アノード極拡散層１４、カソード極拡散層１６は、撥水性を有し、電子伝導性を有するものであれば、特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が挙げられる。また、上記多孔質カーボン材料等に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を添加して、撥水処理したものであってもよい。

膜−電極アッセンブリ１２は、電解質膜の一方の表面にアノード極触媒層が、もう一方の表面にカソード極触媒層が設けられたものである。

アノード極触媒層、カソード極触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンと、パーフルオロスルホン酸系等の電解質溶液とを混合して、電解質膜又は拡散層（アノード極拡散層１４、カソード極拡散層１６）上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が挙げられる。

電解質膜は、プロトン伝導性のイオン交換膜であれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含有させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。具体的には、ナフィオン膜（登録商標、デュポン社製）が挙げられる。

図３は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池積層体の構成の一例を示す模式断面図である。図３に示す燃料電池積層体３は、図１に示す燃料電池セルと同様の構成を有する燃料電池セル２と、燃料電池セル２同士をシールするための燃料電池シール材１０と、上記説明した撥水性低下抑制層２４とを備えている。

本実施形態における撥水性低下抑制層２４は、上記説明した燃料電池セル２内に設けられる他に、図３に示すように、燃料電池シール材１０とマニホールド３２ａ，３２ｂとの間に設けられている。

図３に示すマニホールド３２ａは、各燃料電池セル２に反応ガスを供給するための流路であり、各燃料電池セル２の反応ガス流路（不図示）に接続されている。マニホールド３２ｂは、各燃料電池セル２から排出される反応ガスの流路であり、各燃料電池セル２の反応ガス流路（不図示）に接続されている。また、マニホールド３２ａ，３２ｂは、反応ガスの給排路であるとともに、燃料電池セル２の発電時に生成した水分又は過酸化水素等を燃料電池積層体３に排水するための排水路でもある。

一般的に、燃料電池シール材１０は、マニホールド３２ａ，３２ｂに近接するように設けられているため、燃料電池セル２の発電の際に生成する水分又は過酸化水素等と接触し、燃料電池シール材１０から溶出成分が溶出される場合がある。上記溶出成分が、マニホールドから、反応ガス流路を介して拡散層に流れれば、拡散層が親水化される場合がある。

図３に示すように、マニホールド３２ａ，３２ｂと燃料電池シール材１０との間に上記説明した撥水性低下抑制層２４を設けることによって、燃料電池シール材１０から溶出する溶出成分が流れ出して、拡散層が親水化されることを抑制することができる。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池積層体及び燃料電池セルは、セパレータ用シール材と拡散層との間に、撥水性低下抑制層を備えることにより、セパレータ用シール材から溶出する溶出成分が拡散層に流れ出して、拡散層が親水化されることを抑制することができる。したがって、発電時に生成した水分等が、拡散層内に滞留し難くなり、燃料電池セルの電圧安定性が悪化する等、燃料電池性能が低下を抑制することができる。また、マニホールドと燃料電池シール材との間に上記説明した撥水性低下抑制層を設けることにより、燃料電池シール材から溶出する溶出成分が拡散層に流れ出して、拡散層が親水化されることを抑制することもできる。したがって、発電性能の低下をより抑制することができる。

上記本実施形態に係る燃料電池セル及び燃料電池積層体は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池積層体の構成の一例を示す一部模式断面図である。 本実施形態に係る燃料電池積層体の積層方向からみた燃料電池セルの一部透過模式図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池積層体の構成の一例を示す模式断面図である。 一般的な燃料電池セルの模式断面図である。

符号の説明

１，３ 燃料電池積層体、２，４ 燃料電池セル、６ 燃料電池、１０ 燃料電池シール材、１２，３６ 膜−電極アッセンブリ、１４，３８ アノード極拡散層、１６，４０ カソード極拡散層、１８，４２ アノード極セパレータ、２０，４４ カソード極セパレータ、２２，３４ セパレータ用シール材、２４ 撥水性低下抑制層、２６，４６ アノードガス流路、２８，４８ カソードガス流路、３０ 冷媒流路、３２ａ，３２ｂ マニホールド。

Claims (7)

1. 膜−電極アッセンブリを挟持する一対の拡散層と、前記拡散層の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータと、前記燃料電池セパレータ同士をシールするセパレータ用シール材とを備える燃料電池セルであって、
   前記セパレータ用シール材と前記拡散層との間に、撥水性低下抑制層を備えることを特徴とする燃料電池セル。
2. 請求項１記載の燃料電池セルであって、前記撥水性低下抑制層は、前記セパレータ用シール材から溶出する溶出成分を吸着、捕捉、又は分解のいずれかを行う層を含むことを特徴とする燃料電池セル。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池セルであって、前記撥水性低下抑制層は、前記セパレータ用シール材から溶出する溶出成分を透過させない溶出成分不透過層を含むことを特徴とする燃料電池セル。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルであって、前記撥水性低下抑制層は、撥水剤を有する撥水剤含有層を含むことを特徴とする燃料電池セル。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルであって、前記撥水性低下抑制層は、前記セパレータ用シール材から溶出する溶出成分を除去する除去剤を有する溶出成分除去層を含むことを特徴とする燃料電池セル。
6. 膜−電極アッセンブリを挟持する一対の拡散層と、前記拡散層の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータと、前記燃料電池用セパレータ同士をシールするセパレータ用シール材とを備える燃料電池セルが、燃料電池シール材を介して複数個積層された燃料電池積層体であって、
   前記拡散層と前記セパレータ用シール材との間に、撥水性低下抑制層を備えることを特徴とする燃料電池積層体。
7. 請求項６記載の燃料電池積層体であって、前記燃料電池積層体は、各燃料電池セルに反応ガスを給排するマニホールドを有し、前記燃料電池シール材と前記マニホールドとの間に撥水性低下抑制層を備えることを特徴とする燃料電池積層体。