[发明专利]水分管理片、气体扩散片、膜电极组件及固体高分子燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及水分管理片(moisture control sheet)、气体扩散片、膜电极组件和固体高分子燃料电池，尤其涉及可单独使用的、具有形态保持性的独立的水分管理片、使用该水分管理片的气体扩散片、膜电极组件和固体高分子燃料电池。

背景技术

对于以各种方式使用着的能源，出于对石油资源枯竭的担忧，寻找替代燃料和节省资源正成为重要的课题。其中，对将各种燃料变换为化学能量、将其作为电力取出的燃料电池的开发一直在活跃地持续进行中。

燃料电池如例如“关于燃料电池的技术动向调查”(日本特许厅技术调查课编，2001年5月31日，<URL>http://www.jpo.go.jp/shiryou/index.htm)(非专利文献1)第5页所示，根据使用的电解质的种类，可分为磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、固体高分子燃料电池(PEFC)这4类。这些不同的燃料电池根据其电解质而在工作温度范围上有限制，已知PEFC在100℃以下的低温区域，PAFC在180-210℃的中温区域，MCFC在600℃以上，SOFC在1000℃附近的高温区域工作。其中，可在低温区域输出的普通PEFC输出由作为燃料的氢气与含氧气体(例如空气)的化合反应而产生的电力，由于其可以较小型的装置构成高效率地输出电力，因此，其实用化正在急速进行中。

图11是用于示出目前已知的PEFC基本构成的燃料电池重要部分截面的示意图。图中，对于具有材质基本上相同的构成或功能的构成成分，用同一剖面线示出。PEFC具有图11所示的将多个电池单元层叠的结构，所述电池单元由一对双极板11a、11c夹着由燃料极17a、固体高分子膜19和空气极17c组成的膜电极组件(MEA)而成。所述燃料极17a由分解成质子和电子的催化剂层15a及向催化剂层15a供给燃料气体的气体扩散层13a构成，所述催化剂层15a与气体扩散层13a之间形成有水分管理层14a，另一方面，空气极17c由使质子、电子和含氧气体反应的催化剂层15c及向催化剂层15c供给含氧气体的气体扩散层13c构成，所述催化剂层15c与气体扩散层13c之间形成有水分管理层14c。

由于所述双极板11a具有可供给燃料气体的沟槽，因此，若通过该双极板11a的沟槽供给燃料气体，则燃料气体在气体扩散层13a中扩散，透过水分管理层14a，供给到催化剂层15a。供给的燃料气体分解成质子和电子，质子在固体高分子膜19中移动，到达催化剂层15c。另一方面，电子通过图中未示出的外部通路，向空气极17c移动。而由于双极板11c具有可供给含氧气体的沟槽，因此，若通过该双极板11c的沟槽供给含氧气体，则含氧气体在气体扩散层13c中扩散，透过水分管理层14c供给到催化剂层15c。供给的含氧气体与在固体高分子膜19中移动的质子和通过外部通路移动的电子反应，生成水。该生成的水通过水分管理层14c，被排到燃料电池之外。此外，在燃料极中，从空气极逆扩散而来的水通过水分管理层14a，被排到燃料电池之外。

作为这样的气体扩散层13a、13c和水分管理层14a、14c所必需的功能，有用于在低加湿条件下使固体高分子膜19保持湿润的保湿性、用于防止高加湿条件下燃料电池内水滞留、出现淹没(flooding)的排水性等。这样的气体扩散层13a、13c和水分管理层14a、14c以往是用以下方法形成的：用聚四氟乙烯等含氟树脂浸润碳纸等导电性多孔基材，或在碳纸等导电性多孔基材上涂布碳粉和含氟树脂混合而成的糊剂，形成存在含氟树脂或碳粉和含氟树脂的水分管理层14a、14c，并将不存在含氟树脂或碳粉和含氟树脂的区域作为气体扩散层13a、13c。但是，这样形成的水分管理层14a、14c会有含氟树脂或碳粉和含氟树脂超过需要程度地渗入导电性多孔基材中，排水性和气体扩散性容易低下。此外，用该方法形成的水分管理层14a、14c，由于向面方向(与厚度正交的方向)移动的水和气体的透过性低，在有大量水生成的状况下，排水性和气体扩散性差，因此，成为燃料电池性能低下的重要原因。

作为另一种形成水分管理层的方法，有发明者提出了一种通过在基材上涂布含氟树脂和碳的分散液、形成涂膜后，在导电性多孔基材上加压贴附涂膜(水分管理层)来防止水分管理层被渗入的方法(特开2006-318790号公报(专利文献1))。但是，该水分管理层由于有涂布形成的致密层，因此，排水性和气体扩散层不充分。