燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及不论加湿条件如何都体现高性能的燃料电池。其概要为该燃料电池是包含夹持有质子传导性电解质膜的一对催化剂层的燃料电池，其构造为：至少阴极的催化剂层含有催化剂成分、电解质材料及碳材料，并且所述碳材料包含担载有所述催化剂成分的催化剂载体碳材料、未担载所述催化剂成分的导电助剂碳材料以及未担载所述催化剂成分的气体扩散碳材料这３种材料，并且所述催化剂层包含催化剂凝聚相和气体扩散碳材料凝聚相这２相构造，并且所述催化剂凝聚相为连续体，所述气体扩散碳材料凝聚相分散在所述催化剂凝聚相中，所述催化剂凝聚相以担载有催化剂成分的所述催化剂载体碳材料、电解质材料、以及未担载所述催化剂成分的导电助剂碳材料作为主成分，所述气体扩散碳材料凝聚相以未担载所述催化剂成分的气体扩散碳材料作为主成分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池，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。
技术介绍
本专利技术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与阴极的催化剂上发生的化学 反应的能量差(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 那样的担载有疏水性粒子的亲水性粒子。在日本特开2006-155921号公报中公开的燃料电池方案的特征如下，将活性炭 作为催化剂载体，该活性炭根据BET法(Brunauer Emmett Teller比表面积法)所得到的表 面积Sbet满足SBETM500m2/g，并且，直径2nm以下的微孔表面积Smi 。(m2/g)相对于总 细孔面积Stotal(m2/g)的比率满足Smiero/Stota》0.5。在日本特开2004-71253号公报中公开的燃料电池方案如下，将由局部含有中孔 碳粒子的碳材料构成的载体用作催化剂载体。然而，在以上现有技术中还存在以下课题。在日本特开2004-342505号公报及日本特开2005-174835号公报中，由于在催化 剂层中含有亲水性但不具有导电性或质子传导性的材料，所以电子或质子的移动路径被 阻断，从而存在内部电阻增大的问题。在日本特开2006-59634号公报中，作为亲水化处理后的导电性材料的例子，经 硝酸处理后的炭黑作为催化剂载体使用，但对于亲水性程度(亲水化处理的程度)既没有 记载也没有教示。根据专利技术人等的研究表明，仅仅含有只经过亲水化处理的炭黑，在低 湿条件下也表现出优异的保水能力，但也会出现充分加湿时的气体扩散路径被凝结的水 堵塞的问题。换言之，根据亲水性程度不同，会存在保水能力不足、或保水能力过强而 在充分加湿的条件下气体扩散路径被水堵塞的问题。本专利技术人等开发出了一种燃料电池用催化剂层，其将作为催化剂层主成分的碳 材料分为担载催化剂成分的碳材料(以下称为催化剂载体碳材料)及未担载催化剂成分的 碳材料(以下称为气体扩散碳材料)而包含于催化剂层中，并且采用气体扩散碳材料的水 合性(水合力)有差异的至少2种碳材料，在低加湿条件下总是能将催化剂层中的电解质 材料维持在湿润状态，而高加湿条件下也不会被凝结的水阻塞，从而提出了在任何加湿 条件下都能体现高性能的燃料电池的方案。4但是，由于保水部分是未担载催化剂的气体扩散碳材料，就催化剂附近的电解 质材料的保水效果来讲不一定充分，因此，有必要进行新的改进来进一步体现更好的特性。在日本特开2006-155921号公报中，提出了将活性炭作为载体的方案，从催化 剂粒子附近的保水性角度来讲是足够的，还设法利用气体扩散碳材料来确保气体的移 动。但是，如果以得到更高性能的燃料电池为前提，则存在活性炭自身的电子传导性 低，催化剂粒子周边的亲水性过高，妨碍催化剂极近处的气体移动等的问题。在日本特开2004-71253号公报中，提出了以中孔碳为催化剂载体的一部分的 方案，作为催化剂载体，通过与中孔碳以外的碳材料进行混合，使得气体的扩散性、电 子传递性比单独使用中孔碳有所改善。但是，例如在高加湿条件下高负荷运行时，所产 生的水使气体阻塞的趋势增强，如果为了避免这种情况而降低中孔碳比率，则特别是在 低加湿条件下低负荷运行时，中孔碳以外的碳材料上的催化剂附近的电解质容易变得干 燥，只能在以特定的混合比例限定的条件下才能体现出优异的特性。特别是对于中孔碳 以外的碳材料期待反应气体的扩散性增强的功能，但是中孔碳以外的碳材料上还存在催 化剂粒子，因此，尤其是在高负荷运行的阴极中使用时，存在催化剂粒子中产生的水妨 碍气体扩散的情况，无法得到在任何条件下都能使用的催本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其特征在于：其是包含夹持有质子传导性电解质膜的一对催化剂层的燃料电池，其构造为：至少阴极的催化剂层含有催化剂成分、电解质材料及碳材料，并且　　所述碳材料包含担载有所述催化剂成分的催化剂载体碳材料、未担载所述催化剂成分的导电助剂碳材料、以及未担载所述催化剂成分的气体扩散碳材料这３种材料，　　所述催化剂层包含催化剂凝聚相和气体扩散碳材料凝聚相这２相，所述催化剂凝聚相是以担载有所述催化剂成分的所述催化剂载体碳材料、所述电解质材料、以及未担载所述催化剂成分的所述导电助剂碳材料作为主成分经凝聚而成的，所述气体扩散碳材料凝聚相是以未担载所述催化剂成分的所述气体扩散碳材料作为主成分经凝聚而成的，　　所述催化剂凝聚相为连续体，所述气体扩散碳材料凝聚相分散在所述催化剂凝聚相中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：田所健一郎，水上和实，饭岛孝，泽田英明，羽田智博，
申请(专利权)人：新日本制铁株式会社，新日铁化学株式会社，
类型：发明
国别省市：JP