气体扩散电极及其生产方法、膜电极组件及其生产方法技术

公开一种气体扩散电极，其能够使燃料电池在高电流密度下运行。所述气体扩散电极设置有：包括导电性材料和离子传导性材料的亲水性多孔层；和与所述亲水性多孔层邻接的催化剂层。前述亲水性多孔层的水输送阻力小于所述催化剂层的水输送阻力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种气体扩散电极及其生产方法，和一种膜电极组件及其生产方法。
技术介绍
近年来，在能源和环境问题的背景下，注意力放在与社会需要和动向有关的燃料电池作为电动车用电源和固定电源。燃料电池根据电解质的种类和电极的种类分类为多种类型，其中典型实例包括碱类、熔融碳酸盐类、固体电解质类、固体高分子类。这些中，关注焦点集中在能够在低温(通常不高于100℃)下运行和近年来作为机动车用低环境污染能源开发和实际使用推动的固体聚合物电解质燃料电池。固体聚合物电解质燃料电池(PEFC)的构造通常为其中电解质膜电极组件(MEA)插于隔离膜之间的结构。MEA包括插于一对电极即阳极和阴极之间的电解质膜。各电极包含电极催化剂和由固体聚合物电解质示例的电解质，并具有多孔结构以扩散从外部供给的反应气体。在固体聚合物电解质燃料电池中，可以通过以下电化学反应将电取出至外部：首先，将供给至阳极(燃料电极)侧的燃料气体中包含的氢气如下述化学式(1)中示出通过催化颗粒氧化以形成质子和电子。随后，产生的质子通过阳极侧电极催化剂层中包含的固体聚合物电解质和与阳极侧电极催化剂接触的固体聚合物电解质膜到达阴极(氧电极)侧电极催化剂层。另外，阳极侧电极催化剂层中产生的电子通过构成阳极侧电极催化剂层的导电性载体、在与固体聚合物电解质膜相对侧接触阳极侧电极催化剂层的气体扩散层、隔离膜和外部电路到达阴极侧电>极催化剂层。然后，到达阴极侧电极催化剂层的质子和电子与氧化剂气体中包含的氧反应从而产生水，如通过下述化学式(2)所示。[化学式1]阳极反应(燃料电极)：H2→2H++2e-          ····(1)阴极反应(空气电极)：2H++2e-+1/2O2→H2O ····(2)在低湿和高电流密度的运行条件下，从阳极至阴极通过固体聚合物电解质膜与质子一起移动的水量和在阴极侧电极催化剂层中产生和聚集的生成水的量增加。此时，该生成水留在阴极侧电极催化剂层中，招致溢流现象从而堵塞用作反应气体供给通道的孔。由此，阻止反应气体的扩散从而阻碍电化学反应，由此招致电池性能的下降。因此，迄今通过改进气体扩散层的排水性多种尝试防止溢流现象。例如，在专利引用文献1中，将包括保水性材料、导电性材料和结晶性碳纤维的保水层配置在催化剂层和用憎水层涂布的气体扩散层之间。公开了结晶性碳纤维的存在能够提供确保保水层的排水性并具有即使在气体中的相对湿度变动时也难以受到湿度变动影响的稳定发电性能的固体聚合物电解质燃料电池。现有技术引用文献专利引用文献专利引用文献1：日本专利3778506
技术实现思路
专利技术要解决的问题然而，在专利引用文献1中公开的技术中，添加的结晶性碳纤维阻碍质子在导电性材料中的移动，由此使得难以获得能够实现高电流密度运行的燃料电池。因此，在关注上述问题时进行本专利技术，且本专利技术意欲提供能够实现燃料电池高电流密度运行的气体扩散电极。用于解决问题的方案本专利技术人热衷于研究上述问题。结果，本专利技术基于以下发现完成：上述问题可通过包括亲水性多孔层和与上述亲水性多孔层邻接的催化剂层的气体扩散电极解决，在所述气体扩散电极中上述多孔层的水输送阻力小于上述催化剂层的水输送阻力。专利技术的效果根据本专利技术的气体扩散电极，可以改进在发电期间产生的生成水的排水性。因此，设置有气体扩散层的燃料电池使得高电流密度运行是可行的。附图说明[图1]为包括根据本专利技术(第一实施方式)气体扩散电极的MEA的实施方案的截面示意图；[图2]为示出通过将包括根据本专利技术(第一实施方式)气体扩散电极的MEA插于一对隔离膜之间而构成的PEFC的单电池的截面示意图；[图3]为示出一般的MEA构造的示意图；[图4]其中(a)为示出根据本专利技术实施方案(第二实施方式)的气体扩散层的截面代表图，和(b)为示出上述实施方案的改进实例的气体扩散层的截面代表图；[图5]为示出气体扩散层的生产方法的代表图；[图6]为示出根据本专利技术实施方案(第二实施方式)的气体扩散层的截面代表图；[图7]为示出MEA的实施方案的截面图；[图8]为示出气体扩散层的生产方法的代表图；[图9]为包括本专利技术(第二实施方式)的MEA的PEFC的截面代表图；[图10]为其中根据实施例2和比较例2分别生成的电池的零下发电性能彼此相互比较的图；[图11]其中A为示出在使用多种导电性材料的情况下相对湿度和双电层电容之间的关系的图和B为示出各导电性材料的SBET、θion和Sion的表；和C为示出各导电性材料的水输送阻力的图；[图12]其中A为示出第三实施方式的第一实施方案的亲水性多孔层的截面代表图；和B为第一实施方案的改进实例的亲水性多孔层的截面代表图；[图13]为示出第三实施方式的第二实施方案的亲水性多孔层的截面代表图；[图14]为示出根据墨中溶剂的种类在亲水性多孔层中孔径分布的差异的图；[图15]为示出包括亲水性多孔层的MEA的实施方案的截面代表图；[图16]为示出包括亲水性多孔层的MEA的另一实施方案的截面代表图；[图17]其中A至D为示出包括亲水性多孔层的MEA的另一实施方案的截面代表图；[图18]为示出包括亲水性多孔层的MEA的另一实施方案的截面代表图；[图19]为示出包括亲水性多孔层的MEA的另一实施方案的截面代表图；[图20]其中A和B为示出用于将催化剂层和亲水性多孔层一体化的过程的具体实施方案的代表图；[图21]为包括本专利技术(第三实施方式)的MEA的PEFC的截面代表图；[图22]为示出常温发电试验的结果的图；和[图23]包括示出使用SEM(扫描电子显微镜)观察的结果(A)和使用EPMA(电子探针显微分析仪)分析的结果(B)的图。附图标记说明10，10a，210，240，340，410，410’，510，510’ MEA，11    阳极，12，212，312，412，512    固体聚合物电解质膜，13，313，413，513    阳极侧电极催化剂层，14，314，414，514    阳极侧气体扩散层，15，315，415，515    阴极侧电极催化剂层，16，316，416，516    阴极侧气体扩散层，17，217，317，417，51本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.06.26 JP 2009-152442;2009.06.26 JP 2009-153001.一种气体扩散电极，其包括：
包括导电性材料和离子传导性材料的亲水性多孔层；
与所述亲水性多孔层邻接的催化剂层，
其中所述亲水性多孔层的水输送阻力小于所述催化剂层的
水输送阻力。
2.根据权利要求1所述的气体扩散电极，其中所述亲水性
多孔层的孔隙率大于所述催化剂层的孔隙率。
3.根据权利要求1或2所述的气体扩散电极，其中包括在所
述亲水性多孔层中的导电性材料的BET氮比表面积小于包括在
所述催化剂层中的电极催化剂的BET氮比表面积。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的气体扩散电极，其中
所述亲水性多孔层的厚度小于所述催化剂层的厚度。
5.一种膜电极组件，其包括：
根据权利要求1-4中任一项所述的气体扩散电极；和
与所述气体扩散电极邻接的气体扩散层。
6.根据权利要求5所述的膜电极组件，其中所述亲水性多
孔层设置在所述催化剂层和所述气体扩散层之间。
7.根据权利要求5或6所述的膜电极组件，其中至少在阳极
电极中设置所述亲水性多孔层。
8.一种燃料电池，其使用根据权利要求1-4中任一项所述
的气体扩散电极，或根据权利要求5-7中任一项所述的膜电极组
件。
9.一种车辆，其上安装有根据权利要求8所述的燃料电池。
10.一种生产根据权利要求5-7中任一项所述的膜电极组
件的方法，其包括将所述催化剂层和所述亲水性多孔层预先一
体化的步骤。
11.根据权利要求1所述的气体扩散电极，其中形成气体扩
散层并且所述气体扩散层包括亲水性多孔层和多孔气体扩散层
基材，其中所述亲水性多孔层包含所述离子传导性材料和用所
述离子传导性材料覆盖的所述导电性材料；
所述亲水性多孔层的至少一部分设置在所述气体扩散层基
材中；和
所述气体扩散层基材的至少一部分为已进行亲水处理的亲
水处理部。
12.根据权利要求11所述的气体扩散电极，其中所述亲水
性多孔层的至少一部分形成于所述气体扩散层内部。
13.根据权利要求11或12所述的气体扩散电极，其中所述
气体扩散层基材中水蒸气的有效扩散系数D(m2/s)在1个大气压
和-20℃下满足以下式：
[式1]
D≥2.0×10-5×εγ其中ε为所述气体扩散层基材的孔隙率；和γ为所述气体扩
散层基材的屈曲度。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的气体扩散电极，其
中所述气体扩散层基材中的孔的最小孔径不小于1μm。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的气体扩散电极，其
中所述亲水处理部包括选自由离子传导性材料、金属氧化物和
亲水性聚合物组成的组中的至少一种。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的气体扩散电极，其
进一步包括气体扩散层和催化剂层，所述催化剂层包括离子传
导性材料和承载催化剂组分的导电性载体，所述催化剂层具有
用于在所述离子传导性材料和所述离子传导性材料彼此粘着下
形成连续的液态水用输送通道的结构。
17.根据权利要求16所述的气体扩散电极，其中所述导电
性载体为石墨化碳材料。
18.根据权利要求16或17所述的气体扩散电极，其中所述
离子传导性材料的EW不大于1000g/eq。
19.一种膜电极组件，其包括根据权利要求11-15中任一项
所述的气体扩散层或根据权利要求16-18中任一项所述的气体
扩散电极。
20.根据权利要求19所述的膜电极组件，其中至少在阳极
电极中设置所述气体扩散层。
21.一种燃料电池，其使用根据权利要求19或20所述的膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤和之，大间敦史，小野义隆，井殿大，酒井佳，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：