JP2010067371A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒層と触媒層を囲繞する樹脂フィルムとの間において、過酸化水素又は水酸化ラジカルを含む生成水の滞留を低減することにより、電解質膜の局所的な劣化及び触媒層端部の劣化を抑制し、燃料電池の寿命を向上させることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１１と、電解質膜１１の表面に積層された触媒層１２と、触媒層１２の表面に積層されたガス拡散層１３と、を備え、電解質膜１１とガス拡散層１３との間に、触媒層１２を囲繞するように、樹脂フィルム４０が配置された燃料電池１Ａであって、ガス拡散層１３の表面のうち、樹脂フィルム４０と触媒層１２との間の表面領域１３ｂには、親水性の処理が施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜電極接合体の両面にガス拡散層が積層された固体高分子型の燃料電池に係り、特に、耐久性及び信頼性の高い燃料電池に関する。

電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温における作動が可能であり、かつ、小型軽量化が可能であるため、自動車などの移動体への適用が検討されている。特に、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車はエコロジーカーとして社会的な関心が高まっている。

このような固体高分子型の燃料電池９０は、図３に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）９５を主要な構成要素とし、セパレータ９８，９８で挟持して、単セルと呼ばれる１つの燃料電池９０を形成している。膜電極接合体９５は、イオン交換膜である電解質膜９１の両側に触媒層９２が積層された基本構造となっており、さらに、膜電極接合体９５の両側には、ガス拡散層９３が積層されている。

このような燃料電池９０は、ガス拡散層９３の周縁部と、膜電極接合体９５の電解質膜９１とが直接接触することは好ましくない。これは、ガス拡散層９３を構成するカーボン繊維が電解質膜９１に突き刺さることがあり、電解質膜９１にダメージを与え、燃料電池９０としての耐久性が低下する場合があるからである。このような点を鑑みて、ガス拡散層と電解質膜との間には、触媒層を囲繞するように、樹脂フィルムが配置されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２５５８７号公報

ところで、燃料電池は、発電時に、特に低加湿下で燃料である水素と酸化剤である酸素が膜を介してクロスリークして、電極（触媒層）において、水と酸素から過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）が生成されたり、過酸化水素から水酸化ラジカル（・ＯＨ）が生成されたりすることがある。この過酸化水素及び水酸化ラジカルは、膜内を拡散移動する際に、電解質膜の劣化を進行させる要因となっていた。

特に、樹脂フィルムを用いた場合には、触媒層と、該触媒層を囲繞する樹脂フィルムとの間に僅かながらにも隙間が形成されてしまう。そして、燃料電池の発電時に、触媒層と樹脂フィルムの間の隙間（空間）に、過酸化水素や水酸化ラジカルを含む生成水が滞留しやすい。この空間に滞留した生成水は、撥水性を有するガス拡散層からは排出され難にくく、局所的な電解質膜の劣化が促進してしまい、触媒層端部の劣化も進行し、その結果として燃料電池の寿命が低下を招く場合もある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電解質膜の局所的な劣化及び触媒層端部の劣化を抑制することにより、燃料電池の寿命を向上することができる燃料電池を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜の表面に積層された触媒層と、該触媒層の表面に積層されたガス拡散層と、を備え、前記電解質膜と前記ガス拡散層との間に、前記電極層を囲繞するように、樹脂フィルムが配置された燃料電池であって、前記ガス拡散層の表面のうち、前記樹脂フィルムと前記触媒層との間の表面領域には、親水性の処理が施されていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池の発電時に、生成される水（生成水）が、樹脂フィルムと触媒層との間の隙間に滞留しやすいところ、この隙間に隣接した表面領域（領域）、すなわち、樹脂フィルムと接触する領域と触媒層に接触する領域との間のガス拡散層の領域を親水性の処理を施したことにより、生成水は、親水化された領域（親水性の処理が施された領域）に吸着しやすい。

このような結果、ガス拡散層の親水化された領域に吸着された生成水は、ガス拡散層内部を移動し、ガス流路を介して排出されることになる。これにより、生成水内に含まれる過酸化水素や水酸化ラジカルが、この隙間に隣接した電解質膜の表面及び触媒層の端部に接触し難くなり、過酸化水素や水酸化ラジカルによる電解質膜の局所的な劣化及び触媒層端部の劣化を抑制することができる。このようにして、燃料電池の長寿命化を図ることができる。

本発明にいう、親水性の処理がされた領域とは、ガス拡散層の表面に対して、より親水性を有するような表面処理がなされた表面領域であり、例えば、ガス拡散層を膜電極接合体の表面に積層する前に、その処理すべき表面領域に対して、プラズマ処理や希ガスなどのイオンを注入する処理を行うことにより親水化することができる。特に、ガス拡散層は、炭素繊維にＰＴＦＥなどの疎水性樹脂を含むことから、容易に親水性に表面を改質するには、このような処理がより好ましい。

また、発明に係る燃料電池は、さらに、前記樹脂フィルムと接触するガス拡散層の表面領域に対しても、親水性の処理が施されていることがより好ましい。本発明によれば、前記樹脂フィルムに接触するガス拡散層の表面が親水性を有することにより、上述する隙間に滞留した生成水は、触媒層と接するガス拡散層の内部に向かって移動せず、樹脂フィルムに接触するガス拡散層の内部に移動するので、好適に、生成水を排出することができる。

別の態様として、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜の表面に積層された触媒層と、該触媒層の表面に積層されたガス拡散層と、を備え、前記電解質膜と前記ガス拡散層との間に、前記触媒層を囲繞するように樹脂フィルムが配置された燃料電池であって、前記触媒層と前記樹脂フィルムとの間には、撥水性のペースト材が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、本来ならば燃料電池の発電時に、生成される水（生成水）が、樹脂フィルムと触媒層との間の隙間に滞留しやすいところ、触媒層と樹脂フィルムとの間に撥水性を有したペース材を配置することにより、生成水は透水圧の低いガス拡散層側へ移動する。

このような結果、ガス拡散層に移動した生成水は、ガス拡散層内部を移動し、ガス流路を介して排出されることになる。これにより、生成水内に含まれる過酸化水素や水酸化ラジカルが、この隙間に隣接した電解質膜の表面及び触媒層の端部に接触し難くなり、過酸化水素や水酸化ラジカルによる電解質膜の局所的な劣化及び触媒層端部の劣化を抑制することができる。このようにして、燃料電池の長寿命化を図ることができる。

ここで、本発明でいう撥水性を有したペースト材とは、撥水性粒子（疎水性粒子）と界面活性剤を含む揮発性溶液内において混合した、ペースト状の混合物であることがより好ましい。

例えば、撥水性粒子としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂が高い撥水性を有するため好ましく用いられる。また、界面活性剤は、これらの疎水性粒子が揮発性溶液中に分散して混合されるものであれば特に限定されるものではなく、揮発性溶液としては、例えば水、低級アルコールなどを挙げることができる。

そして、このような燃料電池は、電解質膜の両側に触媒層を接合後、触媒層を囲繞するように、樹脂フィルムを配置し、この樹脂フィルム後、樹脂フィルムと触媒層との隙間にペースト材を注入し、その後、ガス拡散層を両側に積層することにより製造することができる。

さらに、このペースト材には、導電性粒子をさらに含むことが好ましい。導電性粒子を含むことにより、たとえペースト材が製造時又は燃料電池使用時にガス拡散層や触媒層に流れ込んだとしても、その部分の燃料電池の発電が阻害され難い。

このような導電性粒子としては、例えば、カーボン粒子、金属粒子等の粒子を挙げることができ、燃料電池の発電時に電子導電性を確保することができるのであれば、特に限定されるものではない。

また、このようなペースト材としては、たとえば、ガス拡散層を製造する際に、炭素繊維からなる基材に含浸される、一般的に用いられる撥水性を有したペースト材であってもよい。このペースト材は、ＰＴＦＥ粒子などの撥水性粒子と、カーボン粒子などの導電性粒子と、界面活性剤と、水などの揮発性溶液を含むものであり、このようなペースト材を流用することにより、製造コストを削減することができる。

本発明によれば、燃料電池内の触媒層と触媒層を囲繞する樹脂フィルムとの間において、過酸化水素又は水酸化ラジカルを含む生成水の滞留を低減することにより、電解質膜の局所的な劣化及び触媒層端部の劣化を抑制し、燃料電池の寿命を向上させることができる。

以下に、図面を参照して、本発明に係る燃料電池を２つ実施形態に基づいて説明する。図１は、第一実施形態に係る固体高分子型燃料電池（単セル）を説明するための模式断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池１Ａは、膜電極接合体１０と、該膜電極接合体１０の両側に積層されたガス拡散層１３と、膜電極接合体１０を挟持するように配置されたセパレータ３０と、を備えている。なお、セパレータの構造は、既に図３において説明をしているので、以下の詳細の説明は省略する。

膜電極接合体１０は、電解質膜１１の両面にアノード側及びカソード側の触媒層が接合された構造である。電解質膜１１は、高分子電解質を含んでおり、高分子電解質は、イオン交換機能を有するものであり、例えば、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。

触媒層１２は、高分子電解質と、例えば白金担持カーボンなどの触媒担持導電体と、を含む多孔質層である。

また、触媒担持導電体として白金担持カーボンを例に挙げたが、触媒は、触媒反応が生じるものであるならば、特に限定されるものではなく、触媒反応における活性化過電圧が小さいことから、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、これらの貴金属触媒の合金、混合物など、２種以上の元素が含まれていても構わない。さらに、導電体は、電気的に導電可能な物質であれば特に限定されるものではなく、たとえば、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましい。

膜電極接合体１０の周縁には、触媒層１２を囲繞するように、樹脂フィルム（第一の樹脂材）４０を触媒層１２の表面と略面一となるように配置されている。樹脂フィルム４０を配置することにより、ガス拡散層１３を配置した際に、ガス拡散層１３に含まれる炭素繊維から電解質膜１１を保護することができる。

この樹脂フィルム４０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂が高い撥水性を有するため好ましく用いられる。その他、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の非フッ素系フィルムも用いることができ、発電時の生成水、ガスにより劣化しない材料であり、さらに、後述するガス拡散層の炭素繊維の突き刺さりを防止できる強度があれば、特に限定されるものではない。

さらに、樹脂フィルム４０が配置された膜電極接合体１０の両側には、ガス拡散層１３，１３が配置されている。ガス拡散層１３は、ガス透過性の点から繊維状導電性無機物質（無機導電性繊維）、より好ましくは炭素繊維が用いられ、織布あるいは不織布いずれの構造も使用可能であり、導電性粒子と疎水性樹脂をさらに含んでいてもよい。疎水性樹脂としては、ＰＴＦＥ樹脂、フッ素樹脂等の疎水性を有する樹脂が挙げられ、ガス拡散層１３に撥水性をもたせ、触媒層やガス拡散層内での水分の滞留によるフラッティングを防止することができるものであれば、特に限定されるものではない。また、導電性粒子としては、カーボン粒子、金属粒子等の粒子を挙げることができ、燃料電池の発電時に電子導電性を確保することができるものである。

そして、本実施形態では、このガス拡散層１３の表面のうち、前記樹脂フィルムと接触する表面領域１３ａ、及び、この表面領域１３ａと触媒層に接触する表面領域１３ｃとの間の表面領域１３ｂに、親水性の処理が施されている。

この表面領域１３ａ，１３ｂは、ガス拡散層１３を積層する前のガス拡散層形成部材を製造後、少なくともその表面領域１３ａ，１３ｂに、プラズマ処理装置等を用いて親水性処理を行うことにより表面処理されたものである。これにより、表面領域１３ｃに比べて、表面領域１３ａ，１３ｂの親水性は向上する。

このような燃料電池１Ａによれば、燃料電池１Ａの発電時に、生成される水（生成水）Ｗが、樹脂フィルム４０と触媒層１２との間の隙間Ｓに滞留しやすいところ、樹脂フィルム４０と接触する表面領域１３ａと触媒層１２に接触する表面領域１３ｃとの間のガス拡散層１３の表面領域１３ｂを親水性の処理を施したことにより、生成水Ｗは、親水化された表面領域（親水性の処理が施された表面領域）に吸着しやすい。このような結果、ガス拡散層１３の親水化された表面領域１３ｂに吸着された生成水Ｗは、ガス拡散層１３内部を移動し、セパレータ３０を介して排出されることになる。

さらに、樹脂フィルム４０と接触するガス拡散層１３の表面領域１３ａに対してしても、親水性の処理が施されているので、隙間Ｓに滞留した生成水Ｗは、触媒層１２と接するガス拡散層１３の内部に向かっては移動せず、樹脂フィルム４０に接触するガス拡散層１３の内部に移動するので、好適に、生成水を排出することができる。

これにより、生成水Ｗ内に含まれる過酸化水素や水酸化ラジカルが、この隙間に隣接した電解質膜１１の表面及び触媒層１２の端部に接触し難くなり、過酸化水素や水酸化ラジカルによる電解質膜１１の局所的な劣化及び触媒層１２の端部の劣化を抑制することができる。このようにして、燃料電池１Ａの長寿命化を図ることができる。

図２は、第二実施形態に係る燃料電池（単セル）を説明するための模式断面図である。図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池１Ｂは、第一実施形態のガス拡散層の表面の一部に親水性の処理が施されている替わりに、撥水性を有したペースト材を用いた点が相違するのみである。従って、第一実施形態の燃料電池１Ａと同様に膜電極接合体、樹脂フィルム、ガス拡散層、及びセパレータを備えた点は、同じであるので、これらの部材に対しては、図１と同じ符号を付して、以下の詳細の説明は省略する。

図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池１Ｂは、触媒層１２と樹脂フィルム４０との間（図１で示した隙間Ｓ）は、撥水性を有したペースト材５０が配置されている。このペースト材５０は、先に示したガス拡散層１３を形成する形成部材を製造する際に使用されるペースト材であり、ＰＴＦＥ樹脂からなる撥水性粒子と、カーボン粒子と、界面活性剤を、アルコール溶液に混練したペースト状の材料である。

このような燃料電池１Ｂによれば、本来ならば燃料電池の発電時に、生成される水（生成水）が、樹脂フィルム４０と触媒層１２との間の隙間Ｓ（図１参照）に滞留しやすいところ、触媒層１２と樹脂フィルム４０との間に撥水性を有したペース材５０を配置することにより、生成水は透水圧の低いガス拡散層１３側へ移動する。

このような結果、ガス拡散層１３に移動した生成水は、ガス拡散層１３の内部を移動し、セパレータ３０を介して排出されることになる。これにより、生成水内に含まれる過酸化水素や水酸化ラジカルが、この隙間に隣接した電解質膜１１の表面及び触媒層１２の端部に接触し難くなり、過酸化水素や水酸化ラジカルによる電解質膜の局所的な劣化及び触媒層端部の劣化を抑制することができる。このようにして、燃料電池１Ｂの長寿命化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

例えば、第一実施形態では、ガス拡散層の表面の一部をプラズマ処理により親水化したが、例えば、この親水化処理として、例えば、ガス拡散層の表面に水酸基、カルボキシル基等の親水基を有した樹脂を被覆するような処理を行ってもよい。

第一実施形態に係る固体高分子型燃料電池（単セル）を説明するための模式断面図。 第二実施形態に係る固体高分子型燃料電池（単セル）を説明するための模式断面図。 固体高分子型燃料電池（単セル）の製造方法を説明するための図。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ：燃料電池、１０：膜電極接合体、１１：電解質膜、１２：触媒層、１３：ガス拡散層、１３ａ〜１３ｂ：ガス拡散層の表面領域、３０：セパレータ、４０：樹脂フィルム、５０：撥水性を有したペースト材、Ｓ：隙間、Ｗ：生成水

Claims (2)

1. 電解質膜と、該電解質膜の表面に積層された触媒層と、該触媒層の表面に積層されたガス拡散層と、を備え、前記電解質膜と前記ガス拡散層との間に、前記触媒層を囲繞するように、樹脂フィルムが配置された燃料電池であって、
   前記ガス拡散層の表面のうち、前記樹脂フィルムと前記触媒層との間の表面領域には、親水性の処理が施されていることを特徴とする燃料電池。
2. 電解質膜と、該電解質膜の表面に積層された触媒層と、該触媒層の表面に積層されたガス拡散層と、を備え、前記電解質膜と前記ガス拡散層との間に、前記触媒層を囲繞するように樹脂フィルムが配置された燃料電池であって、
   前記触媒層と前記樹脂フィルムとの間には、撥水性を有したペースト材が配置されていることを特徴とする燃料電池。

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