[发明专利]高分子电解质型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及高分子电解质型燃料电池，特别是对其多孔性电极的改进。

背景技术

固体高分子电解质型燃料电池的基本原理是，使氢离子传导性高分子电解质膜的一个面暴露于氢等燃料气体中，另一个面暴露于氧气中，中间隔着电解质膜进行反应而合成出水，将由此产生的反应能量作为电能取出。这种燃料电池的结构示于图23。

氢离子传导性高分子电解质膜1、以及将电解质膜1夹在中间的一对具有催化剂的多孔性电极2是通过热压等方法接合成一体的。称之为电解质膜-电极接合体(MEA)，可独立进行处理。在电极2的外侧，设有具有向各自的电极供给燃料气体和氧化剂气体的气体流路4的一对导电性隔板3。在从电极2中露出的电解质膜1的周边部分与导电性隔板3之间，设置有用来防止气体向外部泄漏的衬垫5。通过隔板3的气体流路4导入的反应气体，中间隔着电解质膜1在多孔性电极2上发生电化学反应，在这里所产生的电能通过隔板3被引到外部。

作为多孔性电极，要求其具有良好的导电性、透气性、透水性以及耐腐蚀性。为此，人们采用这样一种方法，即，将碳素纤维(经过稳定化工序后以1000℃左右烧成的、石墨化度为50％左右的纤维，以下称之为碳素纤维)抄制成纸或织成布而使之成为具有透气性的片材(以下称之为碳化纸或碳化布)之后，对其以2000℃以上温度进行热处理而使之成为石墨化度为80％以上的石墨纸或石墨布，从而利用石墨碳所具有的良好的导电性、耐腐蚀性、以及斥水性。

高分子电解质型燃料电池，从其原理上来说，对阳极需要供给进行离子传导所需要的水，而在另一方的阴极上生成水。因此，基本要求是，作为阳极侧多孔性电极，要使所供给的水迅速透过高分子电解质膜，反之，作为阴极侧多孔性电极，要将生成的水迅速从高分子电解质膜上排除。因此，多孔性电极最好具有斥水性。然而，在这样的场合，即，希望能够对伴随供给水减少、负载急剧增减而引起的供给水/生成水的暂时积蓄、蒸发潜热的冷却效果等加以利用的场合，有时需要具有适度的保水性。

为了满足上述相互矛盾的要求，有一种技术方案是，多孔性电极以斥水性多孔性电极和亲水性多孔性电极构成，总体上保持斥水性，而局部为亲水性。但是，在整个表面被覆亲水性多孔性电极的场合，会出现这样的问题，即，容易发生亲水性多孔性电极被水堵塞、阻碍气体透过的现象(液泛)。

发明的公开

本发明是将由导电性碳素纤维片材构成的多孔性电极的气体扩散层，制成具有以电解质膜侧为底面的气体流路的结构，或者制成具有以电解质膜侧为底面、相反侧为顶面的气体流路的结构。并且，构成气体流路的底的部分与构成气体流路的侧壁的部分和/或构成气体流路的顶面的部分的碳素纤维的构成不同。

本发明的高分子电解质型燃料电池是一种具有由氢离子传导性高分子电解质膜与将所说氢离子传导性高分子电解质膜夹在中间的一对电极所构成的电解质膜·电极接合体，以及将所说电解质膜·电极接合体夹在中间的一对导电性隔板的高分子电解质型燃料电池，其特征是，所说电极具有与所说电解质膜接触的催化剂层以及由与所说催化剂层相接触的导电性碳素纤维片材构成的气体扩散层，所说气体扩散层具有以所说电解质膜侧为底面的气体流路，构成所说气体流路的底面的碳素纤维的性状与构成所说气体流路的侧壁的碳素纤维的性状不同。

最好是，构成所说气体流路的底的部分的碳素纤维的亲水性比构成所说气体流路的侧壁的碳素纤维的亲水性弱。

本发明，提供一种高分子电解值型燃料电池，具有由氢离子传导性高分子电解质膜与将所说氢离子传导性高分子电解质膜夹在中间的一对电极构成的电解质膜·电极接合体，以及将所说电解质膜·电极接合体夹在中间的一对导电性隔板，其特征是，所说电极具有与所说电解质膜接触的催化剂层以及由与所说催化剂层相接触的导电性碳素纤维片材构成的气体扩散层，所说气体扩散层具有以所说电解质膜侧为底面、相反侧为顶面的气体流路，构成所说气体流路的底面的碳素纤维的性状与构成所说气体流路的顶面的碳素纤维和构成所说气体流路的侧壁的碳素纤维中的至少一方的性状不同。

在这里，最好是，构成所说气体流路的底面的碳素纤维的亲水性比构成所说气体流路的顶面的碳素纤维和构成所说气体流路的侧壁的碳素纤维中的至少一方的亲水性弱。

前述石墨化度、石墨定向度、以及纤维的微细结构的差异来自于从PAN系、沥青系、纤维素系、以及苯酚系构成的碳素纤维材料中所选出的彼此不同的碳素纤维材料的差异。

也可以由这样的复合体构成多孔性电极，该复合体由一个面上具有构成气体流路的槽的碳素纤维片材、以及平板状碳素纤维片材二者复合而成。