本发明专利技术提供聚合物电解质燃料电池用膜电极组件和使用该膜电极组件的聚合物电解质燃料电池，该膜电极组件包括：电解质膜；催化剂层；和导电性多孔气体扩散层，其中该催化剂层和该电解质膜之间的界面设置有允许流体流通或滞留的槽。结果以低成本提供具有改善的排水性能的聚合物电解质燃料电池用膜电极组件和使用该膜电极组件并具有稳定的发电性能的聚合物电解质燃料电池。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】聚合物电解质燃料电池用膜电 极组件和聚合物电解质燃料电池本专利技术涉及聚合物电解质燃料电池用膜电极组件和使用其的聚合 物电解质燃料电池。 聚合物电解质燃料电池具有高能量转换效率，清洁并且安静，因 此期待作为未来的能量生成装置。近年来，应用于汽车、家用发电机 等。另外，由于聚合物电解质燃料电池的高能量密度和低操作温度， 当将聚合物电解质燃料电池安装到小型电气设备例如移动电话、笔记 本电脑和数码相机时，与使用常规的蓄电池的情形相比能将小型电气 设备驱动更长时间。因此聚合物电解质燃料电池受到关注。但是，尽管聚合物电解质燃料电池能在低于或等于IO(TC的操作 温度下驱动，却存在随着发电时间的经过，电压逐渐降低并最终停止 发电的问题。这是由于其中反应生成的水滞留在充当燃料气体的通气 孔的空间内，由此抑制作为反应物的燃料气体的供给并因此阻止发电 反应的所谓的"溢流"。特别地，溢流倾向于在水生成的阴极侧的催 化剂层中发生。另外，为了将燃料电池实际应用于小型电气设备，整体上减小系 统尺寸是必须的。特别地，在将燃料电池安装于小型电气设备的情形 中，燃料电池本身也必须要减小尺寸，因此在很多情形中，采用通过 自然扩散而不用泵、鼓风机等从通气孔向空气电极供给空气的方法(通 气法)。在这种情形下，产物水只能通过自然蒸发排放到燃料电池的 外部，因此产物水倾向于滞留在催化剂层中而由此导致溢流。一般地，设置于燃料电池的气体供给和排出部的隔板设有防止溢 流的流体流通槽。该流体流通槽用作气体扩散路径和产物水的排放路3径。另外，为了顺利地进行水的排放，需要时对隔板的槽表面施以防水剂例如聚四氟乙烯(PTFE)或者对隔板材料、槽加工方法、槽形状 等进行设计。另外，在使用通气法的燃料电池中，有通过使用泡沫金9 0 %以促进产物水的自然扩散或以利用该空间作为产物水的排放路径 的燃料电池。但是，当以高电流密度长时间驱动燃料电池时，会引起燃料电池 的电压下降。这是因为发电产生的水蒸汽凝结在由气体扩散层(下文 也称为GDL)和催化剂层形成的气体扩散电极的孔中，因此在气体扩 散电极中引起溢流。另外，在膜电极组件(下文也称为MEA)夹在具有气体流通槽的 隔板中类型的燃料电池中和在堆叠型燃料电池中，来自电池单元外部 的反应气体和水蒸气的扩散距离因电极表面中的位置而不同。因此， 在气体扩散电极的平面内引起水蒸气分压分布。在这种情形下，当燃 料电池在高负荷下长时间驱动时，水蒸气分压分布的差增大，由此局 部地接近饱和蒸气压。结果产物水蒸气局部地凝结在气体扩散电极的 孔内而占据这些孔，由此导致局部溢流。为了防止上述的气体扩散电极中的溢流，需要改善气体扩散电极 的排水性能。为此目的， 一般地，常常通过防水剂等例如PTFE将GDL和催化剂 层的孔的内部赋予防水性。作为GDL的具体材料，使用包括每根具有几微米直径的碳纤维和 疏水性树脂例如PTFE的混合物的碳布、炭纸等。或者，用作底部基材并且具有涂覆有包括碳细颗粒和疏水性树脂 的混合物的一个或多个微孔层的一面或两面的碳布或炭纸也用作 GDL。这是因为微孔层能降低催化剂层或集流体与GDL之间的接触阻 抗。在本说明书中，术语"GDL"包括具有多孔层和底部基材的导电性 多孔体。为了赋予催化剂层防水性， 一 般采取将包括疏水性聚合物例如4PTFE的细颗粒与催化剂细颗粒、碳附栽细颗粒等混合的方法。需要注 意，PTFE细颗粒是非导电体且不具有催化活性。因此，当加入大量的 PTFE细颗粒以提高催化剂层的疏水性时，降低了催化活性和催化剂利 用率。如上所述，当GDL和催化剂层均具有防水性时，在很多情形中， 调节它们的防水性以使催化剂层的防水性高于GDL的防水性。以为了 将冷凝水从催化剂层移至GDL并防止水从GDL逆流到催化剂层的方式 来进行调节。但是，在赋有疏水性的多孔体中，水受到从多孔体被推向外部的 力。因此，用水渗透疏水性多孔体在理论上涉及大阻力，因此水向GDL 的渗透率低。因此，当燃料电池以高负荷驱动时，通过在催化剂层中凝结而生 成的产物水的生成量超出对应于进入GDL的渗透率的量。因此，导致 冷凝水滞留在GDL和催化剂层之间的界面中。相反地，存在有产物水在GDL中凝结的情形。这种情形下，产物 水被向外推到GDL的表面，但导致部分冷凝水沉积在GDL和催化剂层 之间的界面上。催化剂层和GDL都是疏水性的，因此水不能轻易渗进 它们的孔内。结果导致冷凝水滞留在该界面中。在燃料电池的输出密度低的情形中，所有产物水以水蒸气的形式 扩散，因此不会发生上述问题。但是，当燃料电池以高电流密度长时 间驱动时，如上所述，由于水蒸气的扩散速率分布的差，水蒸气的分多。;此，GDL或催化剂层中凝结的产物水^量随着驱;时间流逝而 增加。在这种情形下，如上所述滞留在GDL和催化剂层之间的界面中 的冷凝水增加。当产物水滞留在GDL和催化剂层之间的界面中时，甚至由少量水 形成具有大面积的水层。因此，用于向催化剂层供给反应气体的面积 大大减少。结果使燃料电池的电压大量降低或者使发电停止。如上所述，利用对GDL和催化剂层赋予防水性的方法时，存在着在以高负荷长时间驱动燃料电池的情形中冷凝水滞留在GDL和催化剂 层之间的界面中的问题。因此，很难说气体扩散电极的防水性有效地 改善。为了解决上述问题，设计出一种方法，其中，在GDL中将疏水性 彼此不同的两种细颗粒通过相互混合而结合以分别提供排水路径和反 应气体扩散路径(日本专利申请公开No. H10-289723 )。另外，还设计出在与GDL接触的催化剂层的表面中设置排水槽的 方法(日本专利申请公开No. 2004 - 327358和日本专利申请公开 No. 2005 - 38780 )，在集流体侧的GDL的表面中设置排水槽的方法(曰 本专利申请公开No. 2002 - 100372 )，以及GDL设有疏水性通孔和亲 水性通孔的方法(日本专利申请公开No. 2003 - 151585 )。但是，上述常规方法存在下列问题。首先，日本专利申请公开No. H10-289723中描述的结构的情形中， 具有以下问题。期待在GDL中排水路径和反应气体扩散路径偶然形成。 因此，每个路径的结构不可控，因此可能出现排水路径和反应气体扩 散路径比需要的更长的情形。或者，在两种路径中途互相连接的位置 中，排水停在其中途，因此可能出现气体扩散路径阻塞的情形。在日本专利申请公开No. 2004 - 327358和日本专利申请公开 No. 2005 - 38780中描述的结构的情形中，排水用凹槽设置在与气体扩 散层接触的催化剂层的表面中，存在着如下问题使催化剂负荷量减 少与槽的体积相应的量，因此催化剂的反应面积减少，由此降低燃料 电池的输出密度。另外，对于日本专利申请公开No. 2004 - 327358和日本专利申请 公开No. 2005 - 38780中描述的结构，存在着当槽充满排水时使吸到催 化剂层的面积降低的问题。另外，日本专利申请公开No. 2002 - 100372中描述的结构的情形 中，其中排水槽设置在集流体侧的GDL的表面中，存在着当槽充满排 水时使吸到催化剂层的面积降低的问题。日本专利申请公开No. 2003 - 151585描述本文档来自技高网...
【技术保护点】
聚合物电解质燃料电池用膜电极组件，包括： 电解质膜； 催化剂层；和 导电性多孔气体扩散层， 其中该催化剂层和该电解质膜之间的界面设置有允许流体流通或滞留的槽。
【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：山田和弘，
申请(专利权)人：佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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