[发明专利]燃料电池用气体扩散层

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用气体扩散层以及燃料电池用膜电极组件和基于此的燃料电池。

背景技术

将聚合物电解质燃料电池(″PEFC″)构造为具有堆叠以发电的多个单元电池。各单元电池具有包括以下的膜电极组件(″MEA″)：(1)聚合物电解质膜(例如，Nafion(商标)膜)，(2)夹持所述聚合物电解质膜的一对(阳极和阴极)催化剂层(有时称为″电极催化剂层″)，和(3)夹持所述一对(阳极和阴极)催化剂层用于扩散供给的气体的一对气体扩散层(″GDL″)。将包含在各单元电池中的MEA经由隔离膜电连接至相邻的单元电池。因而燃料电池组由这些层压和连接的单元电池构成。然后燃料电池组可以起到适合于各种用途的发电装置的功能。在此类燃料电池组中，如上所述，隔离膜提供使相邻的单元电池彼此电连接的功能。另外，气体通路通常设置在隔离膜面向MEA的表面上。气体通路用作用于供给燃料气体以及氧化剂气体(oxidant gas)的气体供给装置。

为简要地描述PEFC的发电机理，在PEFC运行期间将燃料气体(例如，氢气)供给至单元电池的阳极侧和将氧化剂气体(例如，空气或氧气)供给至阴极侧。结果，发生可在以下反应式中描述的电化学反应，从而分别在阳极和阴极上产生电流。

(式1)

阳极反应：H₂→2H⁺+2e^-…(1)

阴极反应：2H⁺+2e^-+(1/2)O₂→H₂O…(2)

因此，在燃料电池发电期间，在构成燃料电池的各电池的阴极侧产生水。将产生的水排出燃料电池之外而不是在阴极反应中消耗。

在较低的温度环境如在冬季期间经历的环境中，在停止时燃料电池的温度与适当的运行温度相比可降低至极低。在燃料电池于低于冰点的低温环境中运行的情况下，特别地，在电极催化剂层中产生的水会在将其排至外部之前冻结。作为产生的水冻结的结果，反应气体通路会被堵塞，从而发生燃料电池的发电性能劣化的问题。还会引起需要大量能量以升高燃料电池的温度从而在短时间内重新启动燃料电池的问题。

为了解决此类问题，专利文献1公开了借助于使用吸水材料改进氢电极反应层(阳极侧催化剂层)的吸水容量的技术。据称因为在该设计中滞留在空气电极反应层中的过量水可移动至阳极侧并被吸收，所以可防止在低温运行期间于空气电极反应层(阴极侧催化剂层)的气体通路内冻结和即使在此类低温环境中也可容易地启动燃料电池系统。

此外，专利文献2公开了在空气电极反应层(阴极侧催化剂层)和空气扩散层(气体扩散层)之间设置有具有比空气电极反应层的孔容积(porous capacity)更大的孔容积的大的水分散层的膜电极组件。根据该公开内容，通过使滞留在空气电极层的气体通路中的水扩散至细孔内可以防止在低温运行期间于空气电极反应层的气体通路内冻结，因而使得可以在低温环境中容易地启动燃料电池系统。该文献公开了可以使用具有孔径为1nm至1μm的0.3μl/cm²以上的细孔作为此类水分散层的实施方案。

另一方面，作为将活性炭用作气体扩散层的实例，公开了设置在催化剂层的中间层中的包含能够抑制自由基产生的活性炭的聚合物电解质膜(专利文献3)。专利文献3中描述的发明的特征在于，其在中间层中使用具有抑制和分解过氧化氢产生的能力的活性炭。换句话说，据称可以将作为副反应产生的过氧化氢分解为水和氧气，因而保证电池长期连续地稳定运行([0055]-[0056]段)。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利申请公布2005-174765

[专利文献2]日本专利申请公布2005-174768

[专利文献3]日本专利申请公布2005-339962

发明内容

发明要解决的问题

然而，在专利文献1和2公开的技术中，防止在低温环境中于气体通路内预期的冻结是不充分的，这是因为吸水材料和水分散层中存在的孔的直径没有适当地控制。结果，对于使用此类吸水材料或水分散层的燃料电池仍然难以保证在低温环境下的启动能力(零下启动性(below-freezing-point-start-up capability))。