[發明專利]燃料電池

有效

• 申請號: 200980111699.6
• 申請日: 2009-03-26
• 公開（公告）號: CN102017248A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 田所健一郎;水上和實;飯島孝;澤田英明;羽田智博
• 申請（專利權）人: 新日本制鐵株式會社;新日鐵化學株式會社
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/96
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 周欣;陳建全

技術領域

本發明涉及燃料電池，特別涉及具有即使在由于受到使用環境的制約而無法充分對催化劑層加濕的情況下或因運行條件的變化而被迫暫時進行低加濕運行的情況下也發揮高性能的燃料電池用氣體擴散電極的燃料電池。

背景技術

本發明所涉及的燃料電池的基本構造以一般的固體高分子型燃料電池的構造為例進行說明，其由單元電池構成，該單元電池配置有夾持質子傳導性電解質膜而構成陽極和陰極的催化劑層，以對其進行夾持的方式進一步在外側配置有氣體擴散層，其外側進一步配置有隔膜。在作為燃料電池使用時，一般根據所需的輸出功率而組合多個單元電池，以多個單元電池組合而成的燃料電池的形式被使用。

為了從具有這樣的基本構造的燃料電池(各單元電池)中輸出電流，從配設于陽極和陰極的兩極的隔膜的氣體流路，將陰極側的氧或空氣等氧化性氣體以及陽極側的氫等還原性氣體分別通過氣體擴散層供給到催化劑層。例如，在使用氫氣和氧氣時，利用陽極的催化劑上發生的化學反應[H₂→2H⁺+2e^-(E₀＝0V)]與陰極的催化劑上發生的化學反應[O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(E₀＝1.23V)]的能量差(電位差)來輸出電流。

因此，若下面各個路徑沒有未斷開地連續連接，則無法高效率地輸出電流，即氧氣或氫氣能從隔膜的氣體流路移動到催化劑層內部的催化劑為止的氣體擴散路徑、陽極催化劑上產生的質子(H⁺)能經由質子傳導性電解質膜傳遞到陰極催化劑的質子傳導路徑、還有陽極催化劑上產生的電子(e^-)能通過氣體擴散層、隔膜、外部電路傳遞到陰極催化劑的電子傳遞路徑。

在催化劑層內部，一般來說，形成在材料的間隙處而構成氣體擴散路徑的氣孔、形成質子傳導路徑的電解質材料、以及形成電子傳遞路徑的碳材料或金屬材料等導電性材料，形成各自連續的網絡很重要。

另外，在質子傳導性電解質膜、催化劑層中的質子傳導路徑中，高分子電解質材料可以采用以全氟磺酸聚合物為代表的離子交換樹脂。這些通常采用的高分子電解質材料在濕潤環境下體現出高的質子傳導性，在干燥環境下質子導電性下降。因此，為了使燃料電池高效率運作，高分子電解質材料必須處于充分濕潤的狀態下，常常需要在向兩極供給氣體的同時供給水蒸氣。

為了供給水蒸氣，通常可以采用使所供給的氣體預先從在一定溫度下保溫的水中通過而加濕的方法或將在一定溫度下保溫的水直接向單電池供給的方法，在單電池之外還需要加濕器。但是，為了將系統整體的能量效率設定地較高，優選不采用為了保溫而消耗一定能量的加濕器，即使采用加濕器也優選采用能量消耗為所需的最低限度的加濕器。而且，出于系統整體輕便小巧的目的，同樣優選不設加濕器，即使是有加濕器也優選尺寸最小的。因此，根據燃料電池的使用目的，如果不在系統中裝載足夠的加濕器的話，將出現無法對電解質材料充分加濕的情況。并且，即使在穩定運行中裝載具有充足的加濕能力的加濕器的情況下，仍不能避免啟動時或負荷變化時暫時陷入低加濕狀態。

如此一來，由于不一定經常能在適合于電解質材料的濕潤環境下使用，因此，對于即使在上述那樣的低加濕條件下也能發揮高性能的燃料電池用催化劑層的要求增強，期望得到具備上述催化劑層而能容易地進行控制及運行的高性能的燃料電池。

為此，一直以來，提出了在氣體擴散層或催化劑層、或氣體擴散層與催化劑層之間配置的中間層中使用具有親水性的成分，對電解質膜、催化劑層內部的電解質材料進行保濕的方法。

其中，作為對催化劑層賦予親水性的方案，在日本特開2004-342505號公報中公開了下述方案：為了即使在降低了加濕量的情況下仍維持高電池性能，在使陽極中，使沸石、氧化鈦等親水性粒子或親水性載體中含有催化劑成分。

在日本特開2006-59634號公報中公開了即使在低溫氣氛下也能顯示出優異啟動性能的燃料電池，在陽極的催化劑層中含有親水化處理后的導電性材料(經親水化處理的炭黑等)作為水分保濕劑。

在日本特開2005-174835號公報中，為了提供可以應對寬范圍加濕條件的燃料電池，公開了在催化劑層中含有例如[擔載有特氟龍(注冊商標)粒子的二氧化硅粒子]那樣的擔載有疏水性粒子的親水性粒子。