[發明專利]燃料電池用親水性多孔層、氣體擴散電極及其制造方法和膜電極組件

有效

• 申請號: 201080028661.5
• 申請日: 2010-06-25
• 公開（公告）號: CN102804466A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 井殿大;大間敦史;小野義隆;佐藤和之;酒井佳
• 申請（專利權）人: 日產自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/00;H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

技術領域

本發明涉及燃料電池用親水性多孔層、氣體擴散電極及其生產方法和膜電極組件。

背景技術

聚合物電解質燃料電池(PEFC)具有電解質無散逸、電極之間電位差的控制容易、操作溫度低以致迅速啟動燃料電池以及可以是緊湊且輕重量的構造的特征。然而，為了使電解質膜保持在高的離子傳導性下，需要經常潤濕電解質膜。聚合物電解質燃料電池(PEFC)中，發生由化學式1描述的以下電極反應：

[化學式1]

化學式1：

陽極：H₂→2H⁺+2e^-

陰極：(1/2)O₂+2H+2e^-→H₂O

如由上述反應描述的，通過將氫供給聚合物電解質燃料電池的陽極側和將氧供給聚合物電解質燃料電池的陰極側，從燃料電池輸出電能。因此，如果在陰極側產生的水過量，則溢流現象趨于發生，這使得氣體擴散差，由此引起電壓下降。因此，聚合物電解質燃料電池(PEFC)中，為了實現期望的電池性能和電池壽命，所謂總的水控制是完全必要的，所述總的水控制包括控制陰極側產生的水、控制膜內移動的水以及控制使膜潤濕。

當想要在零下溫度下啟動聚合物電解質燃料電池時，必須將預先從燃料電池內部除去水的工藝增加至總的水控制。這是因為在零下溫度下，殘留在燃料電池中的水凍結，這干擾了氣體的擴散，由此引起差的發電。

為了解決上述總的水控制的重要任務，專利文獻1示出一種方案。在該專利文獻的方案中，在電極催化劑層和氣體擴散層之間設置保水層和防水層，所述電極催化劑層引起從外部供給的氣體的催化反應，所述氣體擴散層均勻地擴散從外部供給的氣體，所述保水層促進保水性，所述防水層促進排水性。專利文獻1公開了聚合物電解質燃料電池的電極，其中各保水層和電極催化劑層包括結晶性碳纖維，保水層包括保水性材料和電子導電性材料。專利文獻1示出，不論供給至燃料電池的反應氣體的潤濕條件如何，設置保水層使得電池顯示穩定且高的發電性能，而不容易受濕度變化的影響。

現有技術文獻：

專利文獻：

專利文獻1：日本專利3778506

發明內容

發明要解決的問題

當考慮到改進專利文獻1的發明中高電流密度的陽極側的水(水蒸氣，液態水)輸送性時，基本上需要設置確保對于液態水和水蒸氣兩者的輸送性的親水性多孔層。然而，由于在專利文獻1的發明中包含防水性材料如結晶性碳纖維等，因此液態水的輸送性差，因此水輸送性不能得到提高。此外，在專利文獻1的發明中，基材、防水層和保水層構成單元，防水層的設置消除了液態水輸送通路，因此水輸送性劣化。

為了解決上述問題，本發明提供MEA構成要素及其生產方法，所述要素能夠促進特別在低溫條件下的水輸送性和改進氣體輸送性。更具體地，本發明提供燃料電池用親水性多孔層及其生產方法，所述燃料電池用親水性多孔層包含電解質和導電性材料，并且具有其中將電解質對導電性材料的覆蓋條件和該層結構進行限定的構造。在該發明的情況下，確保蒸發面積，并且抑制在低溫下操作啟動時(特別在零下溫度下)發生的通過液態水引起的不期望的電壓下降。

用于解決問題的方案

作為對上述問題進行銳意研究的結果，本發明人已發現，上述問題通過借助于確保蒸發面積來促進電解質中液態水的蒸發和改進氣體輸送性的親水性多孔層而解決，而且本發明人已完成本發明。

發明的效果

通過根據本發明的親水性多孔層，確保充分的蒸發面積，并且抑制在較低溫度下操作啟動時(特別在零下溫度下)發生的通過液態水引起的不期望的電壓下降。

附圖說明

圖1為示出膜電極組件構造的圖。

圖2為示出本發明的親水性多孔層的示意圖。

圖3為示出在本發明親水性多孔層的情況下相對濕度與雙電層電容之間關系的圖。

圖4為示出將本發明中的導電性材料的表面用親水性材料覆蓋的狀態的示意圖。

圖5A為示出本發明中的親水性材料和導電性材料之間的質量比與親水性材料的覆蓋率之間關系的示意圖。

圖5B為示出本發明中的親水性材料和導電性材料之間的質量比與親水性材料的覆蓋率之間關系的圖。