[發(fā)明專利]高分子電解質(zhì)型燃料電池

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 01803360.1
• 申請日: 2001-10-01
• 公開（公告）號: CN1394365A
• 公開（公告）日: 2003-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 小林晉;保坂正人
• 申請（專利權(quán)）人: 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M8/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張?zhí)彀?楊松齡

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高分子電解質(zhì)型燃料電池，特別是對其多孔性電極的改進。

背景技術(shù)

固體高分子電解質(zhì)型燃料電池的基本原理是，使氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的一個面暴露于氫等燃料氣體中，另一個面暴露于氧氣中，中間隔著電解質(zhì)膜進行反應(yīng)而合成出水，將由此產(chǎn)生的反應(yīng)能量作為電能取出。這種燃料電池的結(jié)構(gòu)示于圖23。

氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜1、以及將電解質(zhì)膜1夾在中間的一對具有催化劑的多孔性電極2是通過熱壓等方法接合成一體的。稱之為電解質(zhì)膜-電極接合體(MEA)，可獨立進行處理。在電極2的外側(cè)，設(shè)有具有向各自的電極供給燃料氣體和氧化劑氣體的氣體流路4的一對導(dǎo)電性隔板3。在從電極2中露出的電解質(zhì)膜1的周邊部分與導(dǎo)電性隔板3之間，設(shè)置有用來防止氣體向外部泄漏的襯墊5。通過隔板3的氣體流路4導(dǎo)入的反應(yīng)氣體，中間隔著電解質(zhì)膜1在多孔性電極2上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在這里所產(chǎn)生的電能通過隔板3被引到外部。

作為多孔性電極，要求其具有良好的導(dǎo)電性、透氣性、透水性以及耐腐蝕性。為此，人們采用這樣一種方法，即，將碳素纖維(經(jīng)過穩(wěn)定化工序后以1000℃左右燒成的、石墨化度為50％左右的纖維，以下稱之為碳素纖維)抄制成紙或織成布而使之成為具有透氣性的片材(以下稱之為碳化紙或碳化布)之后，對其以2000℃以上溫度進行熱處理而使之成為石墨化度為80％以上的石墨紙或石墨布，從而利用石墨碳所具有的良好的導(dǎo)電性、耐腐蝕性、以及斥水性。

高分子電解質(zhì)型燃料電池，從其原理上來說，對陽極需要供給進行離子傳導(dǎo)所需要的水，而在另一方的陰極上生成水。因此，基本要求是，作為陽極側(cè)多孔性電極，要使所供給的水迅速透過高分子電解質(zhì)膜，反之，作為陰極側(cè)多孔性電極，要將生成的水迅速從高分子電解質(zhì)膜上排除。因此，多孔性電極最好具有斥水性。然而，在這樣的場合，即，希望能夠?qū)Π殡S供給水減少、負載急劇增減而引起的供給水/生成水的暫時積蓄、蒸發(fā)潛熱的冷卻效果等加以利用的場合，有時需要具有適度的保水性。

為了滿足上述相互矛盾的要求，有一種技術(shù)方案是，多孔性電極以斥水性多孔性電極和親水性多孔性電極構(gòu)成，總體上保持斥水性，而局部為親水性。但是，在整個表面被覆親水性多孔性電極的場合，會出現(xiàn)這樣的問題，即，容易發(fā)生親水性多孔性電極被水堵塞、阻礙氣體透過的現(xiàn)象(液泛)。

發(fā)明的公開

本發(fā)明是將由導(dǎo)電性碳素纖維片材構(gòu)成的多孔性電極的氣體擴散層，制成具有以電解質(zhì)膜側(cè)為底面的氣體流路的結(jié)構(gòu)，或者制成具有以電解質(zhì)膜側(cè)為底面、相反側(cè)為頂面的氣體流路的結(jié)構(gòu)。并且，構(gòu)成氣體流路的底的部分與構(gòu)成氣體流路的側(cè)壁的部分和/或構(gòu)成氣體流路的頂面的部分的碳素纖維的構(gòu)成不同。

本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池是一種具有由氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜與將所說氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜夾在中間的一對電極所構(gòu)成的電解質(zhì)膜·電極接合體，以及將所說電解質(zhì)膜·電極接合體夾在中間的一對導(dǎo)電性隔板的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征是，所說電極具有與所說電解質(zhì)膜接觸的催化劑層以及由與所說催化劑層相接觸的導(dǎo)電性碳素纖維片材構(gòu)成的氣體擴散層，所說氣體擴散層具有以所說電解質(zhì)膜側(cè)為底面的氣體流路，構(gòu)成所說氣體流路的底面的碳素纖維的性狀與構(gòu)成所說氣體流路的側(cè)壁的碳素纖維的性狀不同。

最好是，構(gòu)成所說氣體流路的底的部分的碳素纖維的親水性比構(gòu)成所說氣體流路的側(cè)壁的碳素纖維的親水性弱。

本發(fā)明，提供一種高分子電解值型燃料電池，具有由氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜與將所說氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜夾在中間的一對電極構(gòu)成的電解質(zhì)膜·電極接合體，以及將所說電解質(zhì)膜·電極接合體夾在中間的一對導(dǎo)電性隔板，其特征是，所說電極具有與所說電解質(zhì)膜接觸的催化劑層以及由與所說催化劑層相接觸的導(dǎo)電性碳素纖維片材構(gòu)成的氣體擴散層，所說氣體擴散層具有以所說電解質(zhì)膜側(cè)為底面、相反側(cè)為頂面的氣體流路，構(gòu)成所說氣體流路的底面的碳素纖維的性狀與構(gòu)成所說氣體流路的頂面的碳素纖維和構(gòu)成所說氣體流路的側(cè)壁的碳素纖維中的至少一方的性狀不同。

在這里，最好是，構(gòu)成所說氣體流路的底面的碳素纖維的親水性比構(gòu)成所說氣體流路的頂面的碳素纖維和構(gòu)成所說氣體流路的側(cè)壁的碳素纖維中的至少一方的親水性弱。

前述石墨化度、石墨定向度、以及纖維的微細結(jié)構(gòu)的差異來自于從PAN系、瀝青系、纖維素系、以及苯酚系構(gòu)成的碳素纖維材料中所選出的彼此不同的碳素纖維材料的差異。

也可以由這樣的復(fù)合體構(gòu)成多孔性電極，該復(fù)合體由一個面上具有構(gòu)成氣體流路的槽的碳素纖維片材、以及平板狀碳素纖維片材二者復(fù)合而成。