燃料電池
【課題】本発明の目的は、電解質膜の乾燥を抑制し、安定した燃料電池の発電性能を維持する燃料電池を提供することにある。
【解決手段】本発明の燃料電池は、電解質膜の両側にアノード極及びカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、触媒層と拡散層を備えるとともに、前記拡散層は、基材と、前記基材と触媒層との間に設けられる撥水層とを備え、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎ（ε：多孔度、ｎ：屈曲度）が０．０１以上であり、前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下である。
【解決手段】本発明の燃料電池は、電解質膜の両側にアノード極及びカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、触媒層と拡散層を備えるとともに、前記拡散層は、基材と、前記基材と触媒層との間に設けられる撥水層とを備え、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎ（ε：多孔度、ｎ：屈曲度）が０．０１以上であり、前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撥水層を備える燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池は、電解質膜の両側にアノード極及びカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、触媒層と拡散層とを備えるとともに、前記拡散層は、基材と、前記基材と触媒層との間に撥水層とを備える。
【０００３】
燃料電池の発電時における電解質膜のプロトン伝導度は、含有する水分量に影響を受ける。そして、燃料電池の発電時には、水が生成されるため、電解質膜は多少加湿されるものの、その多くはカード極側から燃料電池系外へ排出されてしまう。例えば、無加湿状態でかつ高温（例えば、７５度以上）の環境下では、電解質膜が乾燥し易く、プロトン伝導度が低下してしまう。その結果、燃料電池の電圧が低下し、発電性能を維持することが困難となる。
【０００４】
【特許文献１】国際公開第０２／０１５３０３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、電解質膜の乾燥を抑制し、安定した燃料電池の発電性能を維持する燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池は、電解質膜の両側に設けられるアノード極及びカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、触媒層と拡散層を備えるとともに、前記拡散層は、基材と、前記基材と触媒層との間に設けられる撥水層とを備え、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎ（ε：多孔度、ｎ：屈曲度）が０．０１以上であり、前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下である。
【０００７】
また、前記燃料電池において、前記カソード極及び前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎにおいて、多孔度εは０．３〜０．６の範囲であり、屈曲度ｎは３〜６の範囲であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電解質膜の乾燥を抑制し、安定した燃料電池の発電性能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１０】
本発明の実施形態に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられるカソード極及びアノード極と、カソード極及びアノード極の外側に設けられるセパレータとを備えている。カソード極及びアノード極はそれぞれ、触媒層及び拡散層を備え、拡散層は、基材と、基材と触媒層との間に設けられる撥水層とを備えている。
【００１１】
本実施形態において、カソード極及びアノード極の撥水層は、撥水性並びに良好な導電性及び通気性を有し、かつ、燃料電池内の環境に耐え得る物質により形成されることが好ましい。かかる物質の具体例としては、特に制限されるものではないが、撥水性樹脂と導電性物質との混合物等が挙げられる。撥水性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、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等のフッ素系樹脂等が挙げられる。導電性物質としては、例えば、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。
【００１２】
本実施形態のカソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは０．０１以上であり、アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは、カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下である。ここで、εは撥水層の多孔度であり、ｎは屈曲度である。カソード極及びアノード極の撥水層の水蒸気拡散係数は上記条件を満たすものであれば特に制限されるものではないが、カソード極及びアノード極の水蒸気拡散係数において、多孔度εは０．３〜０．６の範囲であり、屈曲度は３〜６の範囲であることが好ましい。
【００１３】
燃料電池の発電時には、カソード極側で水が生成されるため、カソード極側の電解質膜は多少加湿されるものの、無加湿状態でかつ高温の環境下では、アノード極側の電解質膜は乾燥し易い。しかし、本実施形態のように、カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎを０．０１以上とし、アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎをカソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下（好ましくは０．０１近傍）にすること、すなわち、カソード極の拡散層を緻密にすることにより、カソード極側で生成した水が電解質膜を介してアノード極側に移動し易くなり、電解質膜の乾燥を抑制することができる。その結果、上記環境下でも、燃料電池の電圧低下を抑制し、安定した発電性能を維持することが可能となる。例えば、カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎを０．０１より低くすると、上記環境下で、燃料電池の電圧低下が起こり易くなる。
【００１４】
特に、カソード極及びアノード極の水蒸気拡散係数において、多孔度εを０．３〜０．６の範囲とし、屈曲度を３〜６の範囲とすることにより、燃料電池の運転温度が高くても、燃料電池の電圧低下を抑制し、安定した発電性能を維持することができる。
【００１５】
本実施形態における屈曲度は、撥水層の厚さを変えることにより制御することが可能である（屈曲度は撥水層の厚さに比例）。例えば、撥水層の目付を７〜１８ｇ／ｃｍ２とし、撥水層の厚さを３０，５０，１５０，１９０μｍと厚くすると、屈曲度は１，１．５，４．５，５．５と増加する。また、本実施形態における多孔度は、拡散層のプレス圧を変えることにより制御することが可能である。例えば、４ｇ／ｃｍ２の撥水層を備える拡散層のプレス圧を５，７，１４ＭＰａと増加すると、多孔度は０．６５，０．６，０．３と減少する。
【００１６】
本実施形態において、基材は、良好な導電性及び通気性を有し、かつ、燃料電池内の環境に耐え得る物質により形成することができる。かかる物質の具体例は、特に制限されるものではないが、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。
【００１７】
本実施形態において、電解質膜は、プロトンを電導するポリマーであれば特に制限されるものではないが、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンの重合体等が挙げられる。
【００１８】
触媒層は、プロトン伝導性ポリマーと、触媒材料と、導電性物質等から構成される。触媒材料は、アノード極、カソード極において水素の酸化反応及び酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限されるものではないが、例えば、白金、ルテニウム等の金属又は合金等が挙げられる。導電性物質は、燃料電池内の環境に耐え得る電子伝導性物質であれば特に制限されるものではないが、例えば、カーボンブラック、活性炭、黒鉛等が挙げられる。プロトン伝導性ポリマーは、電解質に含まれるプロトン電導性ポリマーと同様のものを使用することができる。
【００１９】
セパレータは、通常の燃料電池において好適に使用され得る物質により形成されていれば特に制限されるものではなく、例えば、チタン合金、ステンレス鋼等に代表される金属、カーボン、導電性樹脂等が挙げられる。なお、セパレータには、燃料電池の発電の際に供給される反応ガスが通過する流路が形成されていることが好ましいが、これに制限されるものではなく、通常の燃料電池に適用可能な形態であればよい。
【００２０】
本実施形態の燃料電池は、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。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例及び比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２２】
実施例１では、屈曲度が４、多孔度が０．８の撥水層（カソード極側）を準備して、燃料電池を作製した。実施例２は、屈曲度が１．５で多孔度が０．６の撥水層（カソード極側）を準備して、燃料電池を作製した。実施例３は、屈曲度が４、多孔度が０．６の撥水層（カソード極側）を準備して、燃料電池を作製した。実施例１〜３では、電解質膜にフッ素系の電解質膜を用い、アノード極触媒層の触媒量を０．２ｍｇＰｔ／ｃｍ２、カソード極触媒層の触媒量を０．５ｍｇＰｔ／ｃｍ２とした。そして、実施例１〜３の燃料電池を以下の条件で発電させたときのセル電圧を測定した。
【００２３】
＜発電条件＞
セル温度：可変
露点Ａ／Ｃ：４５℃／０℃
電流密度：１．２Ａ／ｃｍ２
背圧：４０ｋＰａ−Ｇ
Ｈ２／Ａｉｒストイキ：１．２／１．５
【００２４】
比較例では、屈曲度が１．５、多孔度が０．８の撥水層（カソード極側）を準備して、燃料電池を作製した。その他の条件は、実施例と同様とした。
【００２５】
図１は、実施例１と比較例における屈曲度とセル電圧との関係を示す図である。図２は、実施例２と比較例における多孔度とセル電圧との関係を示す図である。図３は、実施例３と比較例におけるセル温度とセル電圧との関係を示す図である。図１及び図２から判るように、カソード極側の撥水層の屈曲度、多孔度を実施例１，２の値に変更することで、無加湿、高温状態でも、高いセル電圧を維持させることができた。すなわち、高温状態でも燃料電池が安定して発電させることができたと云える。また、図３から判るように、比較例１では、セル温度が７６℃を超えると、燃料電池の発電が不能になったが、実施例３では、セル温度が７６℃を超えても、安定した発電が行われた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１と比較例における屈曲度とセル電圧との関係を示す図である。
【図２】実施例２と比較例における多孔度とセル電圧との関係を示す図である。
【図３】実施例３と比較例におけるセル温度とセル電圧との関係を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撥水層を備える燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池は、電解質膜の両側にアノード極及びカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、触媒層と拡散層とを備えるとともに、前記拡散層は、基材と、前記基材と触媒層との間に撥水層とを備える。
【０００３】
燃料電池の発電時における電解質膜のプロトン伝導度は、含有する水分量に影響を受ける。そして、燃料電池の発電時には、水が生成されるため、電解質膜は多少加湿されるものの、その多くはカード極側から燃料電池系外へ排出されてしまう。例えば、無加湿状態でかつ高温（例えば、７５度以上）の環境下では、電解質膜が乾燥し易く、プロトン伝導度が低下してしまう。その結果、燃料電池の電圧が低下し、発電性能を維持することが困難となる。
【０００４】
【特許文献１】国際公開第０２／０１５３０３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、電解質膜の乾燥を抑制し、安定した燃料電池の発電性能を維持する燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池は、電解質膜の両側に設けられるアノード極及びカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、触媒層と拡散層を備えるとともに、前記拡散層は、基材と、前記基材と触媒層との間に設けられる撥水層とを備え、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎ（ε：多孔度、ｎ：屈曲度）が０．０１以上であり、前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下である。
【０００７】
また、前記燃料電池において、前記カソード極及び前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎにおいて、多孔度εは０．３〜０．６の範囲であり、屈曲度ｎは３〜６の範囲であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電解質膜の乾燥を抑制し、安定した燃料電池の発電性能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１０】
本発明の実施形態に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられるカソード極及びアノード極と、カソード極及びアノード極の外側に設けられるセパレータとを備えている。カソード極及びアノード極はそれぞれ、触媒層及び拡散層を備え、拡散層は、基材と、基材と触媒層との間に設けられる撥水層とを備えている。
【００１１】
本実施形態において、カソード極及びアノード極の撥水層は、撥水性並びに良好な導電性及び通気性を有し、かつ、燃料電池内の環境に耐え得る物質により形成されることが好ましい。かかる物質の具体例としては、特に制限されるものではないが、撥水性樹脂と導電性物質との混合物等が挙げられる。撥水性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、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等のフッ素系樹脂等が挙げられる。導電性物質としては、例えば、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。
【００１２】
本実施形態のカソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは０．０１以上であり、アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは、カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下である。ここで、εは撥水層の多孔度であり、ｎは屈曲度である。カソード極及びアノード極の撥水層の水蒸気拡散係数は上記条件を満たすものであれば特に制限されるものではないが、カソード極及びアノード極の水蒸気拡散係数において、多孔度εは０．３〜０．６の範囲であり、屈曲度は３〜６の範囲であることが好ましい。
【００１３】
燃料電池の発電時には、カソード極側で水が生成されるため、カソード極側の電解質膜は多少加湿されるものの、無加湿状態でかつ高温の環境下では、アノード極側の電解質膜は乾燥し易い。しかし、本実施形態のように、カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎを０．０１以上とし、アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎをカソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下（好ましくは０．０１近傍）にすること、すなわち、カソード極の拡散層を緻密にすることにより、カソード極側で生成した水が電解質膜を介してアノード極側に移動し易くなり、電解質膜の乾燥を抑制することができる。その結果、上記環境下でも、燃料電池の電圧低下を抑制し、安定した発電性能を維持することが可能となる。例えば、カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎを０．０１より低くすると、上記環境下で、燃料電池の電圧低下が起こり易くなる。
【００１４】
特に、カソード極及びアノード極の水蒸気拡散係数において、多孔度εを０．３〜０．６の範囲とし、屈曲度を３〜６の範囲とすることにより、燃料電池の運転温度が高くても、燃料電池の電圧低下を抑制し、安定した発電性能を維持することができる。
【００１５】
本実施形態における屈曲度は、撥水層の厚さを変えることにより制御することが可能である（屈曲度は撥水層の厚さに比例）。例えば、撥水層の目付を７〜１８ｇ／ｃｍ２とし、撥水層の厚さを３０，５０，１５０，１９０μｍと厚くすると、屈曲度は１，１．５，４．５，５．５と増加する。また、本実施形態における多孔度は、拡散層のプレス圧を変えることにより制御することが可能である。例えば、４ｇ／ｃｍ２の撥水層を備える拡散層のプレス圧を５，７，１４ＭＰａと増加すると、多孔度は０．６５，０．６，０．３と減少する。
【００１６】
本実施形態において、基材は、良好な導電性及び通気性を有し、かつ、燃料電池内の環境に耐え得る物質により形成することができる。かかる物質の具体例は、特に制限されるものではないが、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。
【００１７】
本実施形態において、電解質膜は、プロトンを電導するポリマーであれば特に制限されるものではないが、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンの重合体等が挙げられる。
【００１８】
触媒層は、プロトン伝導性ポリマーと、触媒材料と、導電性物質等から構成される。触媒材料は、アノード極、カソード極において水素の酸化反応及び酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限されるものではないが、例えば、白金、ルテニウム等の金属又は合金等が挙げられる。導電性物質は、燃料電池内の環境に耐え得る電子伝導性物質であれば特に制限されるものではないが、例えば、カーボンブラック、活性炭、黒鉛等が挙げられる。プロトン伝導性ポリマーは、電解質に含まれるプロトン電導性ポリマーと同様のものを使用することができる。
【００１９】
セパレータは、通常の燃料電池において好適に使用され得る物質により形成されていれば特に制限されるものではなく、例えば、チタン合金、ステンレス鋼等に代表される金属、カーボン、導電性樹脂等が挙げられる。なお、セパレータには、燃料電池の発電の際に供給される反応ガスが通過する流路が形成されていることが好ましいが、これに制限されるものではなく、通常の燃料電池に適用可能な形態であればよい。
【００２０】
本実施形態の燃料電池は、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。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例及び比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２２】
実施例１では、屈曲度が４、多孔度が０．８の撥水層（カソード極側）を準備して、燃料電池を作製した。実施例２は、屈曲度が１．５で多孔度が０．６の撥水層（カソード極側）を準備して、燃料電池を作製した。実施例３は、屈曲度が４、多孔度が０．６の撥水層（カソード極側）を準備して、燃料電池を作製した。実施例１〜３では、電解質膜にフッ素系の電解質膜を用い、アノード極触媒層の触媒量を０．２ｍｇＰｔ／ｃｍ２、カソード極触媒層の触媒量を０．５ｍｇＰｔ／ｃｍ２とした。そして、実施例１〜３の燃料電池を以下の条件で発電させたときのセル電圧を測定した。
【００２３】
＜発電条件＞
セル温度：可変
露点Ａ／Ｃ：４５℃／０℃
電流密度：１．２Ａ／ｃｍ２
背圧：４０ｋＰａ−Ｇ
Ｈ２／Ａｉｒストイキ：１．２／１．５
【００２４】
比較例では、屈曲度が１．５、多孔度が０．８の撥水層（カソード極側）を準備して、燃料電池を作製した。その他の条件は、実施例と同様とした。
【００２５】
図１は、実施例１と比較例における屈曲度とセル電圧との関係を示す図である。図２は、実施例２と比較例における多孔度とセル電圧との関係を示す図である。図３は、実施例３と比較例におけるセル温度とセル電圧との関係を示す図である。図１及び図２から判るように、カソード極側の撥水層の屈曲度、多孔度を実施例１，２の値に変更することで、無加湿、高温状態でも、高いセル電圧を維持させることができた。すなわち、高温状態でも燃料電池が安定して発電させることができたと云える。また、図３から判るように、比較例１では、セル温度が７６℃を超えると、燃料電池の発電が不能になったが、実施例３では、セル温度が７６℃を超えても、安定した発電が行われた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１と比較例における屈曲度とセル電圧との関係を示す図である。
【図２】実施例２と比較例における多孔度とセル電圧との関係を示す図である。
【図３】実施例３と比較例におけるセル温度とセル電圧との関係を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側にアノード極及びカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、触媒層と拡散層とを備えるとともに、前記拡散層は、基材と、前記基材と触媒層との間に設けられる撥水層とを備え、
前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎ（ε：多孔度、ｎ：屈曲度）は０．０１以上であり、
前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、前記カソード極及び前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎにおいて、多孔度εは０．３〜０．６の範囲であり、屈曲度ｎは３〜６の範囲であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質膜の両側にアノード極及びカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、触媒層と拡散層とを備えるとともに、前記拡散層は、基材と、前記基材と触媒層との間に設けられる撥水層とを備え、
前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎ（ε：多孔度、ｎ：屈曲度）は０．０１以上であり、
前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎは、前記カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、前記カソード極及び前記アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数εｎにおいて、多孔度εは０．３〜０．６の範囲であり、屈曲度ｎは３〜６の範囲であることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１４６７５６（Ｐ２０１０−１４６７５６Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１９８９２（Ｐ２００８−３１９８９２）
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]