[发明专利]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

说明书

[技术领域]

本发明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。

[背景技术]

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100℃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，有通过使用泡沫金属等代替隔板使得气体供给和排出部的空间比例增加到大于或等于90％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PTFE的细颗粒与催化剂细颗粒、碳附载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。