燃料电池用反应层制造技术

本发明专利技术的目的为一直保持燃料电池中的反应层的湿润状态。作为燃料电池中处于固体电解质膜与扩散层之间的反应层，具有与固体电解质膜接触的第1层、与扩散层接触的第2层、和处于第1层与第2层之间的中间层，中间层中不存在催化剂。

【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燃料电池用反应层。技术背景在燃料电池装置中，过去在空气供给系中配置加湿器，通过控制操作空气的湿度， 调整固体电解质膜和反应膜(以下有时称为“膜电极结合体”)的水分状态。但是，根据现在燃料电池的燃料电池所要求的高效率化的观点，目前的趋势是从燃料电池装置中去除加湿器等辅机。此时，有可能不能根据燃料电池的运行环境，一直控制适当的膜电极结合体的水分状态。例如，如果在低加湿环境下运行燃料电池，膜电极结合体处于干燥状态，其质子电导率降低，不能充分发挥发电性能。另一方面，如果在高加湿环境下运行燃料电池，会出现所谓的水淹现象，导致发电特性的降低。为了避免这些现象，有的技术方案提出，将反应层制成二层结构，保持固体电解质膜侧的第1层的高湿度化，另一方面，使扩散层侧的第2层低湿度化(高排水，高透气化) (参照专利文献1)。这样，即使在低加湿环境下，也能保持第1层的湿润状态，在高加环境下，有效地从第2层排除水分。另外，作为介绍与本专利技术有关的技术的文献，可以参照专利文献2-专利文献5。日本专利特开2004-192950号公报日本专利特开2009-272052号公报日本专利昭9-M5802号公报日本专利特开2007-26719号公报日本专利特开2007-123235号公报
技术实现思路
但是，在上述结构中，由于第1层与第2层连续形成，在低加湿环境下本来应该保持在第1层中的水分扩散到处于干燥倾向的第2层中，从而有可能降低质子电导率。为了解决上述问题，作为本专利技术人员努力研究的结果，在第1层与第2层之间设置不载置催化剂的中间层。即，该专利技术的第1局面规定如下。一种燃料电池用反应层，其特征在于，作为燃料电池中处于固体电解质膜与扩散层之间的反应层，具有与上述固体电解质膜接触的第1层、与上述扩散层接触的第2层、和处于上述第1层与上述第2层之间的中间层，上述第1层和第2层具有载置在导电性的单体上的催化剂，上述中间层中不存在催化剂。根据这种规定的第1局面的燃料电池用反应层，在低加湿环境下主要进行发电的第1层的生成水难以扩散到第2层，从而能够抑制气体导致的排水。这是因为通过中间层对第1层与第2层进行物理隔离，从而增加了扩散距离。其结果，只有电解质膜和第1层保持在湿润状态，即使在低湿度环境下也能发挥高性能。另一方面，在高加湿环境下，过剩的生成水扩散到中间层，从而能够防止在第1层产生水淹现象。该专利技术的第2局面规定如下。即，在第1局面规定的燃料电池用反应层中，上述第 1层的保湿性高于上述第2层。根据这种规定的第2局面的燃料电池用反应层，通过使专门在低加湿环境下用于燃料电池反应的第1层处于高保湿性，更可靠地确保该层的水分。还有，通过使专门在低加湿环境下用于燃料电池反应的第2层处于低保湿性，更可靠地防止该层出现水淹现象。 该专利技术的第3局面规定如下。即，在第2局面规定的燃料电池用反应层中，上述中间层的保湿性低于上述第1层但高于上述第2层。根据这种规定的第3局面的反应层，中间层更加可靠地发挥缓冲层的作用。这样，希望中间层为无催化剂层，同时具有不同于第1层和第2层的保湿性。该专利技术的第4局面规定如下。即，在第2局面规定的燃料电池用反应层中，上述中间层具有与上述第1层接触的第3-1层、与上述第2层接触的第3-2层、和被该第3-1层和第3-2层所夹持的第3-3层，上述第3-1层的保湿性等于或低于上述第1层、且高于上述第3-2层，上述第3_2 层的保湿性等于或高于上述第2层，上述第3-3层的保湿性高于上述第3-1层和上述3-2层。在这样规定的中间层中，通过提高作为其中心的层的保湿性，可以获得作为燃料电池用反应层的优良性能。例如，在低加湿环境下，在第1层中生成的生成水被保湿性高的第3-3层吸收(捕获)，利用该第3-3层防止生成水移动到外侧(第3-2层、第2层，即扩散层侧)的层。由于这些外侧的层容易受到扩散层的气体流动的影响，即生成水容易被带走， 因此通过在该第3-3层捕获生成水，防止低加湿环境下的第1层的过分干燥，从而确保燃料电池反应的高效率。另外，在第4局面中，希望上述第3-1层除了不具备催化剂外，与上述第1层的特性相同，上述第3-2层除了不具备催化剂外，与上述第2层的特性相同(第5局面)。例如， 利用具有同一细孔径(第1细孔径)的碳微粒构成第3-1层和第1层，利用具有同一细孔径(第2细孔径)的碳微粒构成第3-2层和第2层。与构成第3-1层的碳微粒的细孔径和构成第1层的碳微粒的细孔径为不同值的情况相比，水的移动在同一细孔径的两层之间更加平滑。在第3-2层和第2层之间，也由于其细孔径相同，水的移动变得平滑。这样，可以防止在高加湿环境下出现水淹现象。该专利技术的第6局面规定如下。即，在第1-第5的任一局面规定的燃料电池用反应层中，与上述第2层相比，上述第1层的载体的空隙率低，电解质比率大，催化剂的载置密度高，或者该电解质的EW低。该第6局面列举了调整保湿性的具体方法，通过采用该方法，可以廉价且可靠地控制各层的保湿性。从催化剂载置率的观点，分析第1层和第2层。从普及燃料电池的角度出发，希望减少昂贵的催化剂金属粒子的使用量。一般来说，在空气极侧的反应层中，使用大量的催化剂金属粒子。反应层是由载置有催化剂金属粒子的载体(导电性碳黑粒子等)与电解质混炼而成。本专利技术为了降低在大量配置有催化剂金属粒子的空气极侧的反应层中的催化剂金属使用量，进行了努力研究。如果减少催化剂金属粒子的使用量，即减小催化剂金属粒子相对于载体的配合比例，会产生如下的问题。即使减少催化剂金属粒子，但仍然要求燃料电池具有高输出特性。这意味着要求每一个催化剂金属粒子进行更高的反应。例如，如果将催化剂金属粒子的使用量减少到 1/4，同时维持燃料电池的输出特性，那么各催化剂金属粒子就要进行4倍的电池反应。其结果，从各催化剂金属粒子会生成4倍的生成水。该生成水会对燃料电池的动作产生影响，需要提出对策。该专利技术的其它的局面的目的在于在空气极侧的反应层中减少催化剂金属使用量， 也能够保证燃料电池具有充分的输出性能。本专利技术人员发现利用较少的催化剂金属粒子运行燃料电池时，反应层中的水对策对燃料电池的输出特性具有很大的影响，从而获得了本专利技术。S卩，该专利技术的其它1-1局面规定如下。一种燃料电池用反应层，其特征在于，作为燃料电池中处于固体电解质膜与扩散层之间的空气极侧的反应层，具有与上述固体电解质膜接触的第1层、与上述扩散层接触的第2层、和处于上述第1层与上述第2层之间的中间层，上述第1层和第2层具有载置在导电性的单体上的催化剂，且第1层的催化剂载置率大于上述第2层的催化剂载置率，上述中间层中不存在催化剂。在燃料电池中，在低加湿环境下持续运行时，由于反应层整体变得干燥，反应层中的燃料电池反应受到质子迁移速率的支配。所以，反应层中固体电解质膜侧的部分起主要作用。另一方面，在高加湿环境下，由于反应层整体处于水分饱和状态，反应层中的燃料电池反应受到氧扩散的支配。所以，反应层中扩散层侧的部分起主要作用。这里，本专利技术利用中间层将反应层中的固体电解质膜侧的部分与扩散层侧的部分分离开来，且赋予不同的催化剂金属粒子的载置量。在固体电解质膜侧的第1层中，通过增高其催化剂金属粒子的载置率，即使在低加湿环境下也容易维持该第1层的湿润状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：大塚元博，加藤英美，山本泰三，
申请(专利权)人：株式会社爱考斯研究，
类型：发明
国别省市：