[发明专利]燃料电池及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于便携式电源、分散型电源、汽车用电源、家用电源系统及コ-ヅェネレ-ション系统等的常温工作型燃料电池。

背景技术

燃料电池是使氢等燃料气体和空气等氧化剂气体在电极催化剂层进行电化学反应，同时供给电力和热量的电池。此外，作为设置在电极间的电解质，磷酸型燃料电池使用的是使磷酸浸入SiC增强复合材料的物质。高分子电解质型燃料电池使用的是全氟碳磺酸膜。在电解质的两面紧密形成了以载有铂系金属催化剂的碳粉为主成分的电极催化剂反应层(以下简称“催化剂层”)。另外，在催化剂反应层的外面紧密配置了兼具气体通气性和导电性的一对电极基材，该基材和催化剂层构成了电极。电极和电解质的接合体被称为电解质膜电极接合体(MEA)。将MEA机械固定于电极外侧的同时，为使相邻的MEA通电串联还设置了导电性隔板。

通常，所用电极基材为碳纤维，所用隔板为碳板。隔板和电极接触的部分中，向电极表明提供反应气体，且为了排出生成的气体和剩余的气体，形成有气体通道。

提供氢气的电极中，由气体通道经电极基材供给催化剂层的氢被氧化，转变为氢离子，进入磷酸水溶液中。提供空气的另一电极中，催化剂层的氧和磷酸水溶液中的氢离子反应生成水。其结果是，电子通过外部电路由氢气侧的电极流入空气侧的电极而放电。所以，为了向各个催化剂层提供氢气和空气等反应气体，必须设置能够有效除去水蒸汽等排出气体的通道。

此外，固体高分子电解质型燃料电池中，为了维持高分子电解质膜的饱和含水状态，需要对反应气体进行加湿处理再供给。另外，随着放电反应的进行而产生反应生成水，该反应生成水又流入经过加湿处理再提供的反应气体中。其结果是，由于水蒸汽的缘故使反应气体浓度下降，为了实现高输出功率，必须向电极及催化剂层内部的反应部位提供大量的气体。

因此，以往都是通过在催化剂层、电极基材及隔板上的气体通道表面使用聚四氟乙烯(PTFE)等含氟聚合物等防水剂进行防水处理。这些防水剂还具备抑制浸入SiC增强复合材料的磷酸水溶液漏到电池外部的作用。

以往，含氟聚合物等防水剂适用于以下规定部位。例如，在碳纤维纸和隔板的气体通道中浸入含氟聚合物的胶体分散液，涂布后使溶剂干燥而除去。然后，在350～450℃的温度下进行热处理，使含氟聚合物固定在碳纤维和隔板的气体通道上。

此外，催化剂层由预先固定了含氟聚合物防水剂的碳粉和载有铂的碳粉的混合物形成。前述含氟聚合物除了PTFE之外，还可使用用全氟甲基等各种取代基修饰过的玻璃化温度等物性有所改变的含氟聚合物。

除了磷酸型燃料电池之外，水溶液系燃料电池还包括固体高分子电解质型燃料电池，其催化剂层和电极基材还同样适用防水剂。

但是，PTFE等含氟聚合物与水的接触角在110度以下，其防水性还不够充分。例如，以高电流密度输出而产生大量水时，以及气体流量减小时等，根据不同电池的不同工作条件，很难除去生成或凝集的水，这样就导致电池性能的下降。此外，含氟聚合物与碳材的粘合性也不够，如果长期工作，含氟聚合物会流出，逐渐造成防水性的下降。

因此，为了获得更高性能的电池，希望采用与水的接触角更大、防水性更高的防水剂。此外，为了使防水剂有效用于被处理表面，在防水剂的胶体分散液涂布并干燥后，必须在350℃以上的高温下进行热处理。但是，采用该方法时，必须使用具备高耐热性的防水处理剂。

另一方面，用耐热性较低的材料进行防水处理时，必须在涂布干燥的状态下使用防水剂的胶体分散液。但是，由于防水剂被固定在被处理表面，所以，如果电池长期工作，则防水剂会脱落，可能会造成防水性的下降。另外，采用该方法时，很难对指定的部分，如电极基材一侧表面进行防水处理。

发明的揭示

为了解决以上问题，本发明提供了一种燃料电池，该电池具备由带有催化剂层和气体扩散层的一对电极，夹在该对电极间的电解质层，设置在前述电极外侧的具有向电极之一提供燃料气体的气体供给用通道的隔板及向另一电极提供氧化剂气体的气体供给用通道的隔板组成的单电池，该燃料电池中，至少前述催化剂层、气体扩散层或通道表面具备防水性。

前述催化剂层、气体扩散层或气体通道的表面采用包含具有疏水性基团和官能团的硅烷化合物的防水处理剂，或包含氟原子及碳原子的非聚合物性化合物组成的防水处理剂进行防水处理，赋予上述部分以防水性。

前述硅烷化合物最好具备疏水性基团及官能团。前述疏水性基团的主链及侧链的至少一方最好具有烃链及含氟碳链中的至少1种。