JP5530954B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関するものである。
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒層と、ガス拡散層とを、この順に備える。
ところで、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で発電が行われるため、発電によって生成された生成水は、液体になりやすい（以下、液体の水を液水とも言う）。そして、燃料電池の内部に液水が過剰に滞留すると、ガス拡散層から触媒層へのガスの供給が阻害され、発電性能の低下を招く。
そこで、従来、固体高分子型燃料電池について、生成水の排水性を向上させ、ガス拡散層から触媒層へのガス拡散性（以下、単に「ガス拡散層のガス拡散性」とも言う）を向上させるために、ガス拡散層に撥水性を付与することが提案されている。例えば、下記特許文献１には、固体高分子電解質と触媒粒子とを含む触媒層と導電性多孔質体を含むガス拡散層とを備える燃料電池用電極において、導電性多孔質体が有孔性フッ素樹脂をフッ素化して得られた有孔性樹脂を含むことが記載されている。
しかし、上記特許文献１に記載された技術によっても、ガス拡散層が含む導電性多孔質体において、有孔性樹脂の細孔が有効に機能しない部分が生じたり、細孔が生成水によって閉塞されたりして、ガス拡散層のガス拡散性を妨げる場合があった。つまり、ガス拡散層のガス拡散性について、改善の余地があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池が備えるガス拡散層のガス拡散性を向上させることを目的とする。
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。
本発明の第１の形態は、
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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む、
燃料電池である。
本発明の第２の形態は、
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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、
前記触媒層側に配置された第１の微小多孔質層であって、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第１の微小多孔質層と、
前記第１の微小多孔質層の前記触媒層側とは反対側に配置された第２の微小多孔質層であって、前記結晶質のフッ素樹脂を前記非晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第２の微小多孔質層と、を備える
燃料電池である。
本発明の第３の形態は、
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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂と、結晶質のフッ素樹脂との混合物を含む、
燃料電池である。
本発明の第１の形態は、
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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む、
燃料電池である。
本発明の第２の形態は、
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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、
前記触媒層側に配置された第１の微小多孔質層であって、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第１の微小多孔質層と、
前記第１の微小多孔質層の前記触媒層側とは反対側に配置された第２の微小多孔質層であって、前記結晶質のフッ素樹脂を前記非晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第２の微小多孔質層と、を備える
燃料電池である。
本発明の第３の形態は、
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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂と、結晶質のフッ素樹脂との混合物を含む、
燃料電池である。
［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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含む、
燃料電池。
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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含む、
燃料電池。
適用例１の燃料電池では、ガス拡散層が備える微小多孔質層が、撥水剤として、上記ガス透過性樹脂を含むので、ガスは、上記ガス透過性樹脂の分子間を透過することができる。したがって、本適用例の燃料電池によって、ガス拡散層のガス拡散性を向上させることができる。本適用例の燃料電池は、微小多孔質層の細孔が生成水（液水）によって閉塞されやすい条件下において、特に効果的である。
なお、適用例１の燃料電池において、ガス透過性樹脂とは、分子間をガスが透過する性質を有する樹脂であり、例えば、光学顕微鏡によって観察可能な細孔を有する樹脂とは異なる。
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含む、
燃料電池。
適用例１記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含む、
燃料電池。
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む、
燃料電池。
適用例２記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む、
燃料電池。
なお、適用例３の燃料電池において、微小多孔質層は、分子間をガスが透過しない結晶質のフッ素樹脂を含まないことが好ましい。
［適用例４］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層は、
前記触媒層側に配置された第１の微小多孔質層であって、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第１の微小多孔質層と、
前記第１の微小多孔質層の前記触媒層側とは反対側に配置された第２の微小多孔質層であって、前記結晶質のフッ素樹脂を前記非晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第２の微小多孔質層と、
を備える燃料電池。
適用例２記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層は、
前記触媒層側に配置された第１の微小多孔質層であって、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第１の微小多孔質層と、
前記第１の微小多孔質層の前記触媒層側とは反対側に配置された第２の微小多孔質層であって、前記結晶質のフッ素樹脂を前記非晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第２の微小多孔質層と、
を備える燃料電池。
なお、適用例４の燃料電池において、第１の微小多孔質層は、分子間をガスが透過しない結晶質のフッ素樹脂を含まないことが好ましい。
［適用例５］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂と、結晶質のフッ素樹脂との混合物を含む、
燃料電池。
適用例２記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂と、結晶質のフッ素樹脂との混合物を含む、
燃料電池。
非晶質のフッ素樹脂は、結晶質のフッ素樹脂よりも高価である。適用例４，５の燃料電池では、微小多孔質層の厚さ方向の一部に非晶質のフッ素樹脂を用いるので、適用例３の燃料電池よりもコストを低下させることができる。
［適用例６］
適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
前記触媒層は、前記微小多孔質層と当接する部位に、前記非晶質のフッ素樹脂を含む、
燃料電池。
適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
前記触媒層は、前記微小多孔質層と当接する部位に、前記非晶質のフッ素樹脂を含む、
燃料電池。
非晶質のフッ素樹脂は、撥水性およびガス透過性を有するから、適用例６の燃料電池によって、触媒層から微小多孔質層への排水性を向上させ、触媒層へのガス拡散性を、さらに向上させることができる。
［適用例７］
適用例１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス透過性樹脂のガス透過係数は、１００×１０−１０（cm3・cm/(cm2・s・cmHg)）以上である、
燃料電池。
適用例１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス透過性樹脂のガス透過係数は、１００×１０−１０（cm3・cm/(cm2・s・cmHg)）以上である、
燃料電池。
適用例７の燃料電池では、ガス透過性樹脂のガス透過係数が、例えば、水の酸素透過係数である約８０×１０−１０（cm3・cm/(cm2・s・cmHg)）よりも高いので、微小多孔質層内に液水が存在しても、微小多孔質層におけるガスの通路を確保することができる。
［適用例８］
適用例１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層において、前記ガス透過性樹脂の前記導電体に対する質量比率は、０．０５〜０．６である、
燃料電池。
適用例１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層において、前記ガス透過性樹脂の前記導電体に対する質量比率は、０．０５〜０．６である、
燃料電池。
適用例８の燃料電池によって、上記微小多孔質層が上記ガス透過性樹脂を含むことによって電気抵抗が高くなるのを抑制することができる。
なお、本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。例えば、上記微小多孔質層の面内の一部の領域に、上記いずれかの適用例における微小多孔質層を適用するようにしてもよい。
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図１では、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。図示するように、燃料電池１００は、電解質膜１０の両面に、それぞれ、触媒層２０と、微小多孔質層３０と、ガス拡散層基材４０とを、この順に備える。微小多孔質層３０、および、ガス拡散層基材４０は、課題を解決するための手段におけるガス拡散層に相当する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図１では、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。図示するように、燃料電池１００は、電解質膜１０の両面に、それぞれ、触媒層２０と、微小多孔質層３０と、ガス拡散層基材４０とを、この順に備える。微小多孔質層３０、および、ガス拡散層基材４０は、課題を解決するための手段におけるガス拡散層に相当する。
本実施例では、電解質膜１０として、ナフィオン（登録商標）を用いるものとした。電解質膜１０として、プロトン伝導性を有する他の固体高分子膜を用いるものとしてもよい。また、触媒層２０は、アイオノマ（例えば、ナフィオン）と、触媒（例えば、白金）を担持した担体（例えば、カーボンブラック）とを含んでいる。また、微小多孔質層３０は、発電によって生成された生成水の排水性を向上させるため層であり、本実施例では、導電体としてのカーボンブラックと、撥水剤としてのポリテトラフルオロエチレンとを含んでいる。この微小多孔質層３０については、後から詳しく説明する。また、本実施例では、ガス拡散層基材４０として、カーボンクロスを用いるものとした。ガス拡散層基材４０として、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。
図２は、微小多孔質層３０の断面を示す説明図である。図示するように、微小多孔質層３０は、厚さ方向の全体に亘って、カーボンブラック３２（黒丸で示した）と、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４（斜めハッチングで示した）とを含んでおり、結晶質のポリテトラフルオロエチレンを含まない。そして、カーボンブラック３２と、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４との間には、細孔３０ｈが存在する。ガスや、発電によって生成された生成水は、この細孔３０ｈを通過する。また、本実施例では、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の酸素透過係数は、水の酸素透過係数である８０×１０−１０（cm3・cm/(cm2・s・cmHg)）よりも高く、１００×１０−１０（cm3・cm/(cm2・s・cmHg)）以上であり、微小多孔質層３０内に液水が存在していても、ガス（例えば、酸素）は、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の分子間を透過することもできる。なお、本実施例では、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４として、テフロンＡＦ（デュポン社製、テフロンは登録商標）を用いるものとした。
また、本実施例では、微小多孔質層３０において、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４のカーボンブラック３２に対する質量比率は、０．０５〜０．６であるものとした。このような質量比率とすることによって、微小多孔質層３０が非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含むことによって電気抵抗が高くなるのを抑制することができる。
図３は、第１実施例の燃料電池１００の効果を示す説明図である。図３に、比較例の燃料電池と、第１実施例の燃料電池１００について、それぞれ、燃料電池の温度が３０（℃）、電流密度が１．２（Ａ／ｃｍ２）の条件で、発電を行ったときの電圧を示した。なお、図示は省略しているが、比較例の燃料電池の構成は、微小多孔質層の構成が第１実施例の燃料電池１００の微小多孔質層３０と異なること以外は、第１実施例の燃料電池１００の構成と同じである。具体的には、第１実施例の燃料電池１００では、微小多孔質層３０が非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含むのに対し、比較例の燃料電池では、微小多孔質層が非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の代わりに結晶質のポリテトラフルオロエチレンを含んでいる。結晶質のポリテトラフルオロエチレンは、分子間をガスが透過しない。また、燃料電池の温度を通常の発電時の温度よりも低い３０（℃）としたのは、液水が多くなり、この液水によって微小多孔質層の細孔が閉塞されやすく、微小多孔質層のガス拡散性が低下しやすい条件下での発電性能の比較を行うためである。また、図３における各電圧は、比較例の燃料電池の電圧を１として規格化されている。
図３から分かるように、先に説明した発電条件において、第１実施例の燃料電池１００では、比較例の燃料電池よりも電圧が３０（％）向上した。これは、第１実施例の燃料電池１００では、液水が多い条件でも、微小多孔質層３０に含まれる非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４によって、ガスの通路が確保されたためである。
以上説明した第１実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層を構成する微小多孔質層３０が、ガス透過性を有する非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含むので、ガスは、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の分子間を透過することができる。したがって、第１実施例の燃料電池１００によって、ガス拡散層のガス拡散性を向上させることができる。
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池は、図示は省略するが、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の代わりに、後述する微小多孔質層３０Ａを備えている。これ以外は、第１実施例の燃料電池１００と同じである。
第２実施例の燃料電池は、図示は省略するが、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の代わりに、後述する微小多孔質層３０Ａを備えている。これ以外は、第１実施例の燃料電池１００と同じである。
図４は、微小多孔質層３０Ａの断面を示す説明図である。図示するように、微小多孔質層３０Ａは、触媒層２０側に配置され、カーボンブラック３２（黒丸で示した）と、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４（斜めハッチングで示した）とを含み、結晶質のポリテトラフルオロエチレン３６（クロスハッチングで示した）を含まない第１の微小多孔質層３０Ａ１と、第１の微小多孔質層３０Ａ１の触媒層２０側とは反対側に配置され、カーボンブラック３２と、結晶質のポリテトラフルオロエチレン３６とを含み、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含まない第２の微小多孔質層３０Ａ２と、を備える。なお、第１の微小多孔質層３０Ａ１の構成は、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の構成と同じである。また、第２の微小多孔質層３０Ａ２の構成は、先に第１実施例において説明した比較例の燃料電池における微小多孔質層の構成と同じである。また、本実施例では、微小多孔質層３０Ａの厚さは、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の厚さと同じであるものとした。したがって、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含む第１の微小多孔質層３０Ａ１の厚さは、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の厚さよりも薄い。
図５は、第２実施例の燃料電池の効果を示す説明図である。図５に、比較例の燃料電池と、第２実施例の燃料電池について、それぞれ、燃料電池の温度が３０（℃）、電流密度が１．２（Ａ／ｃｍ２）の条件で、発電を行ったときの電圧を示した。なお、比較例の燃料電池は、先に第１実施例において説明した比較例の燃料電池と同じである。また、図５における各電圧は、図３と同様に、比較例の燃料電池の電圧を１として規格化されている。
図５から分かるように、先に説明した発電条件において、第２実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池よりも電圧が１０（％）向上した。これは、第２実施例の燃料電池では、液水が多い条件でも、第１の微小多孔質層３０Ａ１に含まれる非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４によって、ガスの通路が確保されたためである。また、先に説明した第１実施例の燃料電池１００では、比較例の燃料電池よりも電圧が３０（％）向上したのに対し、第２実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池よりも電圧が１０（％）しか向上しなかったのは、第２実施例の燃料電池では、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含む第１の微小多孔質層３０Ａ１の厚さが、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の厚さよりも薄いためである。
以上説明した第２実施例の燃料電池では、ガス拡散層を構成する微小多孔質層３０Ａにおける第１の微小多孔質層３０Ａ１が、ガス透過性を有する非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含むので、ガスは、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の分子間を透過することができる。したがって、第２実施例の燃料電池によっても、ガス拡散層のガス拡散性を向上させることができる。
また、第２実施例の燃料電池では、微小多孔質層３０Ａにおいて、比較的高価な非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の使用量が、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０よりも少ないので、第１実施例の燃料電池１００よりも、コストを低下させることができる。
Ｃ．第３実施例：
第３実施例の燃料電池は、図示は省略するが、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の代わりに、後述する微小多孔質層３０Ｂを備えている。これ以外は、第１実施例の燃料電池１００と同じである。
第３実施例の燃料電池は、図示は省略するが、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の代わりに、後述する微小多孔質層３０Ｂを備えている。これ以外は、第１実施例の燃料電池１００と同じである。
図６は、微小多孔質層３０Ｂの断面を示す説明図である。図示するように、微小多孔質層３０Ｂは、厚さ方向の全体に亘って、カーボンブラック３２（黒丸で示した）と、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４（斜めハッチングで示した）と結晶質のポリテトラフルオロエチレン３６（クロスハッチングで示した）との混合物とを含んでいる。なお、本実施例では、微小多孔質層３０Ｂの厚さは、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の厚さと同じであるものとした。
図７は、第３実施例の燃料電池の効果を示す説明図である。図７に、比較例の燃料電池と、第３実施例の燃料電池について、それぞれ、燃料電池の温度が３０（℃）、電流密度が１．２（Ａ／ｃｍ２）の条件で、発電を行ったときの電圧を示した。なお、比較例の燃料電池は、先に第１実施例において説明した比較例の燃料電池と同じである。また、図７における各電圧は、図３と同様に、比較例の燃料電池の電圧を１として規格化されている。
図７から分かるように、先に説明した発電条件において、第３実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池よりも電圧が２０（％）向上した。これは、第３実施例の燃料電池では、液水が多い条件でも、微小多孔質層３０Ｂに含まれる非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４によって、ガスの通路が確保されたためである。また、先に説明した第１実施例の燃料電池１００では、比較例の燃料電池よりも電圧が３０（％）向上したのに対し、第３実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池よりも電圧が２０（％）しか向上しなかったのは、第３実施例の燃料電池では、微小多孔質層３０Ｂに、分子間をガスが透過しない結晶質のポリテトラフルオロエチレン３６が混在しており、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０よりもガスの通路が少なくなったためである。
以上説明した第３実施例の燃料電池では、ガス拡散層を構成する微小多孔質層３０Ｂが、ガス透過性を有する非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含むので、ガスは、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の分子間を透過することができる。したがって、第３実施例の燃料電池によっても、ガス拡散層のガス拡散性を向上させることができる。
また、第３実施例の燃料電池では、微小多孔質層３０Ｂにおいて、比較的高価な非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の使用量が、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０よりも少ないので、第１実施例の燃料電池１００よりも、コストを低下させることができる。
Ｄ．第４実施例：
第４実施例の燃料電池は、図示は省略するが、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の代わりに、後述する微小多孔質層３０Ｃを備えている。また、第４実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池１００における触媒層２０の代わりに、後述する触媒層２０Ｃを備えている。これら以外は、第１実施例の燃料電池１００と同じである。
第４実施例の燃料電池は、図示は省略するが、第１実施例の燃料電池１００における微小多孔質層３０の代わりに、後述する微小多孔質層３０Ｃを備えている。また、第４実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池１００における触媒層２０の代わりに、後述する触媒層２０Ｃを備えている。これら以外は、第１実施例の燃料電池１００と同じである。
図８は、微小多孔質層３０Ｃの断面を示す説明図である。図示するように、微小多孔質層３０Ｃは、厚さ方向の全体に亘って、カーボンブラック３２（黒丸で示した）と、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４（斜めハッチングで示した）とを含んでおり、結晶質のポリテトラフルオロエチレンを含まない。また、触媒層２０Ｃは、微小多孔質層３０Ｃと当接する部位に、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含んでいる。
図９は、第４実施例の燃料電池の効果を示す説明図である。図９に、比較例の燃料電池と、第４実施例の燃料電池について、それぞれ、燃料電池の温度が３０（℃）、電流密度が１．２（Ａ／ｃｍ２）の条件で、発電を行ったときの電圧を示した。なお、比較例の燃料電池は、先に第１実施例において説明した比較例の燃料電池と同じである。また、図９における各電圧は、図３と同様に、比較例の燃料電池の電圧を１として規格化されている。
図９から分かるように、先に説明した発電条件において、第４実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池よりも電圧が３５（％）向上した。これは、第４実施例の燃料電池では、液水が多い条件でも、微小多孔質層３０Ｃに含まれる非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４、および、触媒層２０Ｃに含まれる非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４によって、ガスの通路が確保されたためである。また、先に説明した第１実施例の燃料電池１００では、比較例の燃料電池よりも電圧が３０（％）向上したのに対し、第４実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池よりも電圧が３５（％）向上したのは、第４実施例の燃料電池では、触媒層２０Ｃに、ガス透過性を有する撥水剤としての非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４が含まれており、第１実施例の燃料電池１００よりも、触媒層２０Ｃから微小多孔質層３０Ｃへの排水性が向上し、ガス拡散性が向上したためである。
以上説明した第４実施例の燃料電池では、ガス拡散層を構成する微小多孔質層３０Ｃが、ガス透過性を有する非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含むので、ガスは、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の分子間を透過することができる。したがって、第４実施例の燃料電池によっても、ガス拡散層のガス拡散性を向上させることができる。
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
Ｅ１．変形例１：
上記第１実施例の燃料電池１００では、触媒層２０のほぼ全面に、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含む微小多孔質層３０を配置するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、触媒層２０の面内における一部の領域に、微小多孔質層３０を配置するようにし、他の領域に、他の微小多孔質層を配置するようにしてもよい。具体的には、触媒層２０の面内において、水が過剰になりやすい領域に、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含む微小多孔質層３０を備えるようにし、乾燥しやすい領域に、他の微小多孔質層を備えるようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池１００における局所的なフラッディングや、ドライアップを抑制することができる。これは、第２〜４実施例の燃料電池における微小多孔質層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃについても同様である。
上記第１実施例の燃料電池１００では、触媒層２０のほぼ全面に、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含む微小多孔質層３０を配置するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、触媒層２０の面内における一部の領域に、微小多孔質層３０を配置するようにし、他の領域に、他の微小多孔質層を配置するようにしてもよい。具体的には、触媒層２０の面内において、水が過剰になりやすい領域に、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含む微小多孔質層３０を備えるようにし、乾燥しやすい領域に、他の微小多孔質層を備えるようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池１００における局所的なフラッディングや、ドライアップを抑制することができる。これは、第２〜４実施例の燃料電池における微小多孔質層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃについても同様である。
Ｅ２．変形例２：
上記第１実施例の燃料電池１００では、微小多孔質層３０は、導電体として、カーボンブラックを含むものとしたが、本発明は、これに限られない。カーボンブラックの代わりに、繊維状のカーボン（例えば、カーボンナノチューブ）を用いるものとしてもよい。これは、第２〜４実施例の燃料電池における微小多孔質層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃについても同様である。
上記第１実施例の燃料電池１００では、微小多孔質層３０は、導電体として、カーボンブラックを含むものとしたが、本発明は、これに限られない。カーボンブラックの代わりに、繊維状のカーボン（例えば、カーボンナノチューブ）を用いるものとしてもよい。これは、第２〜４実施例の燃料電池における微小多孔質層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃについても同様である。
Ｅ３．変形例３：
上記第１実施例の燃料電池１００では、微小多孔質層３０は、結晶質のポリテトラフルオロエチレンを含まないものとしたが、本発明は、これに限られない。微小多孔質層３０は、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を結晶質のポリテトラフルオロエチレンよりも多く含んでいればよい。
上記第１実施例の燃料電池１００では、微小多孔質層３０は、結晶質のポリテトラフルオロエチレンを含まないものとしたが、本発明は、これに限られない。微小多孔質層３０は、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を結晶質のポリテトラフルオロエチレンよりも多く含んでいればよい。
Ｅ４．変形例４：
上記第２実施例の燃料電池では、第１の微小多孔質層３０Ａ１は、結晶質のポリテトラフルオロエチレン３６を含まないものとしたが、本発明はこれに限られない。第１の微小多孔質層３０Ａ１は、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を結晶質のポリテトラフルオロエチレン３６よりも多く含んでいればよい。
上記第２実施例の燃料電池では、第１の微小多孔質層３０Ａ１は、結晶質のポリテトラフルオロエチレン３６を含まないものとしたが、本発明はこれに限られない。第１の微小多孔質層３０Ａ１は、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を結晶質のポリテトラフルオロエチレン３６よりも多く含んでいればよい。
また、上記第２実施例の燃料電池では、第２の微小多孔質層３０Ａ２は、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含まないものとしたが、本発明は、これに限られない。第２の微小多孔質層３０Ａ２は、結晶質のポリテトラフルオロエチレン３６を非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４よりも多く含んでいればよい。
Ｅ５．変形例５：
上記第１実施例の燃料電池１００では、微小多孔質層３０は、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含むものとしたが、本発明は、これに限られない。非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の代わりに、他の非晶質のフッ素樹脂、さらには、他の非晶質のフッ素樹脂の代わりに、撥水性および分子間をガスが透過する性質を有する樹脂を含むものとしてもよい。
上記第１実施例の燃料電池１００では、微小多孔質層３０は、非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４を含むものとしたが、本発明は、これに限られない。非晶質のポリテトラフルオロエチレン３４の代わりに、他の非晶質のフッ素樹脂、さらには、他の非晶質のフッ素樹脂の代わりに、撥水性および分子間をガスが透過する性質を有する樹脂を含むものとしてもよい。
１００…燃料電池
１０…電解質膜
２０，２０Ｃ…触媒層
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…微小多孔質層
３０Ａ１…第１の微小多孔質層
３０Ａ２…第２の微小多孔質層
３０ｈ…細孔
３２…カーボンブラック
３４…ポリテトラフルオロエチレン（非晶質）
３６…ポリテトラフルオロエチレン（結晶質）
４０…ガス拡散層基材
１０…電解質膜
２０，２０Ｃ…触媒層
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…微小多孔質層
３０Ａ１…第１の微小多孔質層
３０Ａ２…第２の微小多孔質層
３０ｈ…細孔
３２…カーボンブラック
３４…ポリテトラフルオロエチレン（非晶質）
３６…ポリテトラフルオロエチレン（結晶質）
４０…ガス拡散層基材
Claims (6)
- 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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む、
燃料電池。 - 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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、
前記触媒層側に配置された第１の微小多孔質層であって、前記非晶質のフッ素樹脂を結晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第１の微小多孔質層と、
前記第１の微小多孔質層の前記触媒層側とは反対側に配置された第２の微小多孔質層であって、前記結晶質のフッ素樹脂を前記非晶質のフッ素樹脂よりも多く含む第２の微小多孔質層と、を備える
燃料電池。 - 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、
前記ガス拡散層は、前記触媒層と当接する部位に、導電体と撥水剤とを含む微小多孔質層を備え、
前記微小多孔質層は、前記撥水剤として、分子間をガスが透過する性質を有するガス透過性樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、前記ガス透過性樹脂として、非晶質のフッ素樹脂を含み、
前記微小多孔質層は、該微小多孔質層の厚さ方向の全体に亘って、前記非晶質のフッ素樹脂と、結晶質のフッ素樹脂との混合物を含む、
燃料電池。 - 請求項１から３までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、さらに、
前記触媒層は、前記微小多孔質層と当接する部位に、前記非晶質のフッ素樹脂を含む、
燃料電池。 - 請求項１から４までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記ガス透過性樹脂のガス透過係数は、１００×１０-10（cm3・cm/(cm2・s・cmHg))以上である、
燃料電池。 - 請求項１から５までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記微小多孔質層において、前記ガス透過性樹脂の前記導電体に対する質量比率は、０．０５〜０．６である、
燃料電池。
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