[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别涉及具有即使在由于受到使用环境的制约而无法充分对催化剂层加湿的情况下或因运行条件的变化而被迫暂时进行低加湿运行的情况下也发挥高性能的燃料电池用气体扩散电极的燃料电池。

背景技术

本发明所涉及的燃料电池的基本构造以一般的固体高分子型燃料电池的构造为例进行说明，其由单元电池构成，该单元电池配置有夹持质子传导性电解质膜而构成阳极和阴极的催化剂层，以对其进行夹持的方式进一步在外侧配置有气体扩散层，其外侧进一步配置有隔膜。在作为燃料电池使用时，一般根据所需的输出功率而组合多个单元电池，以多个单元电池组合而成的燃料电池的形式被使用。

为了从具有这样的基本构造的燃料电池(各单元电池)中输出电流，从配设于阳极和阴极的两极的隔膜的气体流路，将阴极侧的氧或空气等氧化性气体以及阳极侧的氢等还原性气体分别通过气体扩散层供给到催化剂层。例如，在使用氢气和氧气时，利用阳极的催化剂上发生的化学反应[H₂→2H⁺+2e^-(E₀＝0V)]与阴极的催化剂上发生的化学反应[O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(E₀＝1.23V)]的能量差(电位差)来输出电流。

因此，若下面各个路径没有未断开地连续连接，则无法高效率地输出电流，即氧气或氢气能从隔膜的气体流路移动到催化剂层内部的催化剂为止的气体扩散路径、阳极催化剂上产生的质子(H⁺)能经由质子传导性电解质膜传递到阴极催化剂的质子传导路径、还有阳极催化剂上产生的电子(e^-)能通过气体扩散层、隔膜、外部电路传递到阴极催化剂的电子传递路径。

在催化剂层内部，一般来说，形成在材料的间隙处而构成气体扩散路径的气孔、形成质子传导路径的电解质材料、以及形成电子传递路径的碳材料或金属材料等导电性材料，形成各自连续的网络很重要。

另外，在质子传导性电解质膜、催化剂层中的质子传导路径中，高分子电解质材料可以采用以全氟磺酸聚合物为代表的离子交换树脂。这些通常采用的高分子电解质材料在湿润环境下体现出高的质子传导性，在干燥环境下质子导电性下降。因此，为了使燃料电池高效率运作，高分子电解质材料必须处于充分湿润的状态下，常常需要在向两极供给气体的同时供给水蒸气。

为了供给水蒸气，通常可以采用使所供给的气体预先从在一定温度下保温的水中通过而加湿的方法或将在一定温度下保温的水直接向单电池供给的方法，在单电池之外还需要加湿器。但是，为了将系统整体的能量效率设定地较高，优选不采用为了保温而消耗一定能量的加湿器，即使采用加湿器也优选采用能量消耗为所需的最低限度的加湿器。而且，出于系统整体轻便小巧的目的，同样优选不设加湿器，即使是有加湿器也优选尺寸最小的。因此，根据燃料电池的使用目的，如果不在系统中装载足够的加湿器的话，将出现无法对电解质材料充分加湿的情况。并且，即使在稳定运行中装载具有充足的加湿能力的加湿器的情况下，仍不能避免启动时或负荷变化时暂时陷入低加湿状态。

如此一来，由于不一定经常能在适合于电解质材料的湿润环境下使用，因此，对于即使在上述那样的低加湿条件下也能发挥高性能的燃料电池用催化剂层的要求增强，期望得到具备上述催化剂层而能容易地进行控制及运行的高性能的燃料电池。

为此，一直以来，提出了在气体扩散层或催化剂层、或气体扩散层与催化剂层之间配置的中间层中使用具有亲水性的成分，对电解质膜、催化剂层内部的电解质材料进行保湿的方法。

其中，作为对催化剂层赋予亲水性的方案，在日本特开2004-342505号公报中公开了下述方案：为了即使在降低了加湿量的情况下仍维持高电池性能，在使阳极中，使沸石、氧化钛等亲水性粒子或亲水性载体中含有催化剂成分。

在日本特开2006-59634号公报中公开了即使在低温气氛下也能显示出优异启动性能的燃料电池，在阳极的催化剂层中含有亲水化处理后的导电性材料(经亲水化处理的炭黑等)作为水分保湿剂。

在日本特开2005-174835号公报中，为了提供可以应对宽范围加湿条件的燃料电池，公开了在催化剂层中含有例如[担载有特氟龙(注册商标)粒子的二氧化硅粒子]那样的担载有疏水性粒子的亲水性粒子。