JP2013145652A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒層の水分をより効率的に排出して、燃料電池のフラッディングを抑制可能な技術を提供する。
【解決手段】電解質膜と、電解質膜の表面に形成された触媒層と、触媒層の電解質膜とは反対側の表面に形成されたガス拡散層と、を備え、触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、少なくとも一部をアイオノマーに覆われた触媒担体と、触媒層内をガス拡散層から電解質膜に向かう細孔と、を有する燃料電池。電解質膜と触媒層とガス拡散層とが積層された方向に対する細孔の横断面積は、触媒層の電解質膜側よりも拡散層側において大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池は、電解質膜と、電解質膜上に形成された触媒層と、触媒層上に形成されたガス拡散層とを有する。燃料電池においては、電気化学反応によって生成された水が触媒層に溜まると、反応ガスの拡散が妨げられることによって発電性能が劣化する現象（フラッディング）が発生することがある。特許文献１には、触媒層を形成するための触媒インクを作成する工程において、水分を予め除去することにより、アイオノマーの有する親水基を触媒側に配向させて親水層を形成し、水の移動を円滑にする技術が開示されている。

しかし、一般的に、触媒層には、触媒層内を拡散層から電解質膜に向かう細孔が、水や反応ガスの流路として形成されている。特許文献１の技術では、高加湿状態において、親水層により水を保持できなくなった場合には、細孔が閉塞して、フラッディングが発生するおそれがあった。

特開２０１１−１５９６２４号公報 特開２０１１−２８９７８号公報

前述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、触媒層の水分をより効率的に排出可能な燃料電池を提供することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の表面に形成された触媒層と、前記触媒層の前記電解質膜とは反対側の表面に形成されたガス拡散層と、を備え、前記触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、少なくとも一部を前記アイオノマーに覆われた触媒担体と、前記触媒層内を前記ガス拡散層から前記電解質膜に向かう細孔と、を有し、前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層とが積層された方向に対する前記細孔の横断面積は、前記触媒層の前記電解質膜側よりも前記ガス拡散層側において大きい、燃料電池。

このような構成であれば、電解質膜側よりもガス拡散層側の方が、細孔の横断面積が大きいので、触媒層内の水分をガス拡散層側へ排出しやすい。また、アイオノマーが吸水して膨潤した場合であっても、ガス拡散層側において細孔が閉塞しないため、反応ガスの流通経路が確保される。したがって、このような燃料電池においては、フラッディングを抑制することが可能となる。

［適用例２］燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の表面に形成された触媒層と、前記触媒層の前記電解質膜とは反対側の表面に形成されたガス拡散層と、を備え、前記触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、少なくとも一部を前記アイオノマーに覆われた触媒担体と、前記触媒層内を前記ガス拡散層から前記電解質膜に向かう細孔と、を有し、前記細孔の外周の一部は、前記ガス拡散層から前記電解質膜まで前記アイオノマーと接している、燃料電池。

このような構成であれば、細孔の外周の一部は、ガス拡散層側から電解質膜側にわたってアイオノマーと接しているが、少なくとも一部は、ガス拡散層側から電解質膜側にわたってアイオノマーと接していない。そのため、アイオノマーが吸水して膨潤した場合であっても、細孔のアイオノマーと接していない部分は閉塞しない。したがって、反応ガスの流通経路が確保される。

本発明は、燃料電池としての構成のほか、その燃料電池を備えた移動用車両や建物等に設置する定置型の発電装置としても構成することができる。

本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す部分断面図である。 触媒層の電解質膜近辺を拡大して示す図である。 触媒層の作製方法について模式的に示す図である。 従来の触媒層を示す図である。 触媒層の電解質膜近辺を拡大して示す図である。 積層方向において一部がアイオノマーと接していない細孔を有する触媒層を作製する方法について説明するための図である。 触媒層の電解質膜近辺を拡大して示す図である。

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す部分断面図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数の単セル３０が積層されたスタック構造を有する。

単セル３０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面にそれぞれ形成されるアノード側触媒層１２ａおよびカソード側触媒層１２ｃと、を有するＭＥＡ１０を備える。ＭＥＡ１０の一方の面にはアノード側ガス拡散層２２ａが、もう一方の面にはカソード側ガス拡散層２２ｃが接合されており、アノード側ガス拡散層２２ａはアノード側セパレータ３３ａと、カソード側ガス拡散層２２ｃはカソード側セパレータ３３ｃと隣接している。アノード側ガス拡散層２２ａとアノード側セパレータ３３ａの間には、燃料ガス流路３４ａが、カソード側ガス拡散層２２ｃとカソード側セパレータ３３ｃとの間には、酸化剤ガス流路３４ｃが形成されている。なお、以降アノード側触媒層１２ａおよびカソード側触媒層１２ｃとを単に触媒層１２、アノード側ガス拡散層２２ａおよびカソード側ガス拡散層２２ｃとを単にガス拡散層ともいう。

図２は、触媒層１２の電解質膜１１近辺を拡大して示す図である。なお、図２以降の図においてガス拡散層は示していないが、ガス拡散層は、触媒層１２の電解質膜１１とは反対側の表面に形成されているものとする。触媒層１２は、触媒１３を担持した導電性担体１５である触媒担体１６と、プロトン伝導性を有するアイオノマー１７と、反応ガスや、電気化学反応により生成した水の流路である細孔Ｓ１と、を有する。電解質膜１１と触媒層１２とガス拡散層とを積層した方向（積層方向）を縦方向とした場合に、触媒層１２を横方向に切断した場合の細孔Ｓ１の横断面積（以下、細孔Ｓ１の断面積ともいう）は、図２に示すように、電解質膜１１側（断面積Ｄ２）よりも、ガス拡散層側（断面積Ｄ１）の方が大きい。なお、「細孔の横断面積が大きい」とは、触媒層１２を横方向に切断した場合の切断面における細孔（略円状）の径が大きいことをも意味する。

図３は、本実施例の触媒層１２の作製方法について模式的に示す図である。本実施例の触媒層１２は、以下のように作製することができる。まず、アイオノマー１７と、触媒１３を担持した導電性の担体１５である触媒担体１６と、溶媒とを含む触媒インク２７を用意する。そして、用意した触媒インク２７を、剥離性を有する転写シート２０（例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シート）に塗布して乾燥させる（図３（Ａ））。転写シート２０は、図３（Ａ）に示すように、その表面に複数の錐体ＰＳ１を有している。次に、触媒インク２７が塗布された転写シート２０と、電解質膜１１とを、所定の温度・圧力において、熱プレスすることによって接合し（図３（Ｂ））、転写シート２０を剥離する（図３（Ｃ））。こうすることで、転写シート２０の錐体ＰＳ１部分が、触媒層１２における細孔Ｓ１に置き換わる。このようにして作製された触媒層１２は、図２に示すように、電解質膜１１側（断面積Ｄ２）よりも、ガス拡散層側（断面積Ｄ１）の断面積が大きい細孔Ｓ１を有することとなる。

図４は、従来の触媒層２を示す図である。従来の触媒層２において、細孔Ｓ２の断面積Ｄは、図４（Ａ）に示すように電解質膜１１側とガス拡散層側とでほぼ等しい。したがって、アイオノマー１７が吸水すると、アイオノマー１７はガス拡散層側から電解質膜１１側において一様に膨潤する。その結果、細孔Ｓ２は、図４（Ｂ）に示すように閉塞する場合がある。一方、本実施例の触媒層１２においては、図２で説明したように、細孔Ｓ１の断面積は、電解質膜１１側よりもガス拡散層側の方が大きい。したがって、触媒層１２内の水分を、細孔Ｓ１の断面積の大きいガス拡散層側へ滞りなく排出しやすい。また、アイオノマー１７が膨潤して断面積Ｄ２分だけ細孔Ｓ１が閉塞したとしても、ガス拡散層側の細孔Ｓ１の断面積Ｄ１は、断面積Ｄ２より大きいため、細孔Ｓ１は完全には閉塞しない。したがって、触媒層１２において、反応ガスの流通経路が確保される。そのため、このような触媒層１２を有する燃料電池１００においては、フラッディングを抑制して、発電性能の低下を防ぐことができる。なお、転写シート２０の表面の錐体ＰＳ１の高さや幅を変更することで、所望の細孔を有する触媒層１２を形成することも可能である。

Ｂ．第２実施例：
上述の実施例では、電解質膜側よりもガス拡散層側において断面積の大きい細孔を有する触媒層を、表面に複数の錐体を有する転写シートを用いて作製する方法について説明した。本実施例においては、アイオノマーを電解質膜側に偏析させることで、電解質膜側よりもガス拡散層側の方が断面積の大きい細孔を有する触媒層を作製する方法について説明する。

図５は、本実施例の触媒層１２ｄの電解質膜１１近辺を拡大して示す図である。本実施例の触媒層１２ｄにおいては、アイオノマー１７は、ガス拡散層側よりも電解質膜１１側において、触媒担体１６をより多く被覆している。そのため、第１実施例の触媒層１２と同様に、細孔Ｓ１の断面積は、電解質膜１１側（断面積Ｄ２）よりも、ガス拡散層側（断面積Ｄ１）の方が大きい。

本実施例の触媒層１２ｄは、電解質膜１１にアイオノマー１７と、触媒１３を担持した導電性の担体１５である触媒担体１６と、溶媒とを含む触媒インクを塗布した後、室温（２５度程度）において余剰な水分を乾燥させることによって作製する。図４に示した従来の触媒層２を作製する際の乾燥の温度は、約８０度であるのに対し、本実施例においては、２５度と比較的低温度で乾燥を行っている。このような低温度で乾燥を行うと、触媒インク内を対流する気体の速度が遅くなるため、アイオノマー１７が電解質膜１１側に沈降するようになる。そして、乾燥が終了すると、アイオノマー１７が電解質膜１１側に偏析した触媒層１２ｄが形成される。つまり、アイオノマー１７の触媒担体１６の被覆率は電解質膜１１側において高く、ガス拡散層側において低い。したがって、このようにして作製した触媒層１２ｄは、電解質膜１１側よりも、ガス拡散層側の断面積が大きい細孔Ｓ１を有することとなる。その結果、本実施例の触媒層１２ｄを備える燃料電池においても、上述の第１実施例と同様の効果を奏し、フラッディングを抑制することができる。

Ｃ．第３実施例：
上述の第１実施例および第２実施例では、電解質膜側よりも、ガス拡散層側の断面積が大きい細孔を有する触媒層について示した。これに対し、第３実施例では、積層方向において外周の一部がアイオノマーと接していない細孔を有する触媒層について説明する。

図６は、積層方向において、外周の一部がアイオノマー１７と接していない細孔Ｓ３を有する触媒層１２ｅを作製する方法について説明するための図である。積層方向において外周の一部がアイオノマー１７と接していない細孔Ｓ３とは、例えば、その外周の一部に、ガス拡散層側から電解質膜１１側まで連続してアイオノマー１７と接していない領域を有する細孔Ｓ３をいう。いいかえると、細孔Ｓ３の外周の一部が、ガス拡散層側から電解質膜１１側までアイオノマー１７と接している。本実施例の触媒層１２ｅは、以下のように作製することができる。まず、一部をマスク用部材２５で覆った（マスキングした）触媒担体１６に対して、プラズマ照射を行う（図６（Ａ））。触媒担体１６の有する導電性担体１５（たとえば、カーボン）は疎水性であるため、導電性担体１５のマスキングされている部分は疎水性のままであるが、プラズマ照射された部分は親水化する。このような触媒担体１６にアイオノマー１７を塗布すると、親水化した導電性担体１５の表面にのみアイオノマー１７が吸着する。このアイオノマー１７が塗布された触媒担体１６を電解質膜１１上に形成すると、図６（Ｂ）に示すように、積層方向の一部においてアイオノマー１７と接していない細孔Ｓ３を有する触媒層１２ｅを作製することができる。

以上のようにして作製された触媒層１２ｅにおいては、アイオノマー１７が吸水して膨潤したとしても、細孔Ｓ３のアイオノマー１７と接していない部分は、閉塞しない。したがって、本実施例の触媒層１２ｅを備える燃料電池においても、上述の第１実施例および第２実施例と同様の効果を奏し、フラッディングを抑制することができる。

Ｄ．第４実施例：
上述の第３実施例では、積層方向において一部がアイオノマーと接していない細孔を有する触媒層について示した。これに対し本実施例では、積層方向において一部がアイオノマーと接しておらず、かつ、電解質膜側よりもガス拡散層側の断面積が大きい細孔を有する触媒層について説明する。

図７は、本実施例の触媒層１２ｆの電解質膜１１近辺を拡大して示す図である。本実施例においては、まず、導電性担体１５を熱処理して、導電性担体１５表面の官能基の量を減少させる。次に、このような導電性担体１５を有する触媒担体１６に対して、アイオノマー１７を吸着させる部分以外を、第３実施例と同様にマスキングして、プラズマ照射を行う。こうすることで、導電性担体１５のプラズマ照射を行った部分が親水化する。次に、プラズマ照射後の触媒担体１６に、界面活性剤を接触させた後、アイオノマー１７を塗布すると、アイオノマー１７が、導電性担体１５の親水化した部分に、より吸着しやすくなる。本実施例においては、積層方向に対してアイオノマー１７がＶ字型に吸着するように、マスキングを行っている。そのため、図７に示すように、アイオノマー１７が、電解質膜１１を下側にしてＶ字型に、触媒担体１６に吸着する。

以上のようにして作製された触媒層１２ｆにおいては、一部においてアイオノマー１７と接しておらず、かつ、電解質膜１１側よりもガス拡散層側において断面積が大きい細孔が形成される。したがって、本実施例の触媒層１２ｆを備える燃料電池においても、上述の第１実施例から第３実施例と同様の効果を奏し、フラッディングを抑制することができる。

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこのような実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。

２…従来の触媒層
１０…ＭＥＡ
１１…電解質膜
１２、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ…触媒層
１２ａ…アノード側触媒層
１２ｃ…カソード側触媒層
１３…触媒
１５…導電性担体
１６…触媒担体
１７…アイオノマー
２０…転写シート
２２ａ…アノード側ガス拡散層
２２ｃ…カソード側ガス拡散層
２５…マスク用部材
２７…触媒インク
３０…単セル
３３ａ…アノード側セパレータ
３３ｃ…カソード側セパレータ
３４ａ…燃料ガス流路
３４ｃ…酸化剤ガス流路
１００…燃料電池
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…細孔
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２…断面積
ＰＳ１…錐体

Claims (2)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の表面に形成された触媒層と、
   前記触媒層の前記電解質膜とは反対側の表面に形成されたガス拡散層と、を備え、
   前記触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、少なくとも一部を前記アイオノマーに覆われた触媒担体と、前記触媒層内を前記ガス拡散層から前記電解質膜に向かう細孔と、を有し、
   前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層とが積層された方向に対する前記細孔の横断面積は、前記触媒層の前記電解質膜側よりも前記ガス拡散層側において大きい、
   燃料電池。
2. 燃料電池であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の表面に形成された触媒層と、
   前記触媒層の前記電解質膜とは反対側の表面に形成されたガス拡散層と、を備え、
   前記触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、少なくとも一部を前記アイオノマーに覆われた触媒担体と、前記触媒層内を前記ガス拡散層から前記電解質膜に向かう細孔と、を有し、
   前記細孔の外周の一部は、前記ガス拡散層から前記電解質膜まで前記アイオノマーと接している、
   燃料電池。

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