[发明专利]燃料电池用亲水性多孔层、气体扩散电极及其制造方法和膜电极组件

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用亲水性多孔层、气体扩散电极及其生产方法和膜电极组件。

背景技术

聚合物电解质燃料电池(PEFC)具有电解质无散逸、电极之间电位差的控制容易、操作温度低以致迅速启动燃料电池以及可以是紧凑且轻重量的构造的特征。然而，为了使电解质膜保持在高的离子传导性下，需要经常润湿电解质膜。聚合物电解质燃料电池(PEFC)中，发生由化学式1描述的以下电极反应：

[化学式1]

化学式1：

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：(1/2)O₂+2H+2e^-→H₂O

如由上述反应描述的，通过将氢供给聚合物电解质燃料电池的阳极侧和将氧供给聚合物电解质燃料电池的阴极侧，从燃料电池输出电能。因此，如果在阴极侧产生的水过量，则溢流现象趋于发生，这使得气体扩散差，由此引起电压下降。因此，聚合物电解质燃料电池(PEFC)中，为了实现期望的电池性能和电池寿命，所谓总的水控制是完全必要的，所述总的水控制包括控制阴极侧产生的水、控制膜内移动的水以及控制使膜润湿。

当想要在零下温度下启动聚合物电解质燃料电池时，必须将预先从燃料电池内部除去水的工艺增加至总的水控制。这是因为在零下温度下，残留在燃料电池中的水冻结，这干扰了气体的扩散，由此引起差的发电。

为了解决上述总的水控制的重要任务，专利文献1示出一种方案。在该专利文献的方案中，在电极催化剂层和气体扩散层之间设置保水层和防水层，所述电极催化剂层引起从外部供给的气体的催化反应，所述气体扩散层均匀地扩散从外部供给的气体，所述保水层促进保水性，所述防水层促进排水性。专利文献1公开了聚合物电解质燃料电池的电极，其中各保水层和电极催化剂层包括结晶性碳纤维，保水层包括保水性材料和电子导电性材料。专利文献1示出，不论供给至燃料电池的反应气体的润湿条件如何，设置保水层使得电池显示稳定且高的发电性能，而不容易受湿度变化的影响。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本专利3778506

发明内容

发明要解决的问题

当考虑到改进专利文献1的发明中高电流密度的阳极侧的水(水蒸气，液态水)输送性时，基本上需要设置确保对于液态水和水蒸气两者的输送性的亲水性多孔层。然而，由于在专利文献1的发明中包含防水性材料如结晶性碳纤维等，因此液态水的输送性差，因此水输送性不能得到提高。此外，在专利文献1的发明中，基材、防水层和保水层构成单元，防水层的设置消除了液态水输送通路，因此水输送性劣化。

为了解决上述问题，本发明提供MEA构成要素及其生产方法，所述要素能够促进特别在低温条件下的水输送性和改进气体输送性。更具体地，本发明提供燃料电池用亲水性多孔层及其生产方法，所述燃料电池用亲水性多孔层包含电解质和导电性材料，并且具有其中将电解质对导电性材料的覆盖条件和该层结构进行限定的构造。在该发明的情况下，确保蒸发面积，并且抑制在低温下操作启动时(特别在零下温度下)发生的通过液态水引起的不期望的电压下降。

用于解决问题的方案

作为对上述问题进行锐意研究的结果，本发明人已发现，上述问题通过借助于确保蒸发面积来促进电解质中液态水的蒸发和改进气体输送性的亲水性多孔层而解决，而且本发明人已完成本发明。

发明的效果

通过根据本发明的亲水性多孔层，确保充分的蒸发面积，并且抑制在较低温度下操作启动时(特别在零下温度下)发生的通过液态水引起的不期望的电压下降。

附图说明

图1为示出膜电极组件构造的图。

图2为示出本发明的亲水性多孔层的示意图。

图3为示出在本发明亲水性多孔层的情况下相对湿度与双电层电容之间关系的图。

图4为示出将本发明中的导电性材料的表面用亲水性材料覆盖的状态的示意图。

图5A为示出本发明中的亲水性材料和导电性材料之间的质量比与亲水性材料的覆盖率之间关系的示意图。

图5B为示出本发明中的亲水性材料和导电性材料之间的质量比与亲水性材料的覆盖率之间关系的图。