CN1254875C - 高分子电解质型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本说明书揭示了高分子电解质型燃料电池，该燃料电池的特征是，其中的阴极及阳极由催化剂粒子、氢离子传导性高分子电解质、导电性多孔基材及防水剂构成，阴极及阳极的至少一方的防水性沿厚度方向或平面方向变化。通过使阳极及阴极的防水性随位置发生变化，能够获得具备高放电特性、特别是在高电流密度下具有高电流-电压特性的高分子电解质型燃料电池。

Description

高分子电解质型燃料电池
技术领域
本发明涉及用于便携式电源、电动汽车用电源、家用发电及废热供暖系统等的高分子电解质型燃料电池。
背景技术
高分子电解质型燃料电池中，使含氢燃料气体和空气等含氧的氧化剂气体发生电化学反应，可同时产生电力和热量。
为了获得该燃料电池，首先在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两面形成以载有铂系金属催化剂的碳粉为主成分的催化剂层。然后，在该催化剂层外面形成对燃料气体或氧化剂气体兼具通气性和电子传导性的气体扩散层，由上述催化剂层和气体扩散层组合形成电极。该电极和电解质膜的接合体被称为MEA。
为使供给的气体不向外部泄漏，且燃料气体和氧化剂气体不互相混合，在电极周围配置了垫圈夹住高分子电解质膜。根据不同情况，预先使前述垫圈、前述电极及高分子电解质膜形成一体，组合形成MEA。
在MEA外侧配置导电性隔板以机械固定MEA，同时使相邻的MEA互相电气串联。隔板与MEA接触的部分形成了向电极面供给反应气体、并将生成的气体和剩余气体运送出去的气体通道。气体通道还可与隔板分别设置，但一般都是在隔板表面形成沟槽作为气体通道。
此外，为使导电性隔板具备较高的电子传导电性、气密性及耐腐蚀性，以往通过对致密的碳板等进行切削加工形成沟槽而获得导电性隔板。
传统的导电性隔板上设置的气体通道一般都是从气体导入口到气体排出口沿直线平行设置多个气体通道(直线型通道)。但是，高分子电解质型燃料电池在工作时存在的问题是，阴极侧会产生水，如果不能有效地除去该生成水，电池性能就不能够得到充分发挥。因此，需要减小导电性隔板设置的气体通道的截面积，并使气体通道(S型通道)呈蛇行以增加每一条气体通道的长度。这样实质上能够提高气体的流速，强制性地除去生成水，使电池性能得到提高。
通常，燃料电池在实际使用时都采用将数个上述单电池层叠的层叠电池结构。燃料电池在工作时不仅会产生电力还会产生热，因此在每1～2个单电池间设置冷却板，使电池温度保持一定，同时利用产生的热量得到温水等。
普通的冷却板都采用具有内部流过冷却水等热媒体的结构的薄金属板。但是，也可在构成单电池的导电性隔板的背面、即导电性隔板的有冷却水流过的面形成通道，将该导电性隔板作为冷却板使用。此时，需要密封冷却水等热媒体的O型环或垫圈。这种情况下，O型环必须被完全压扁以确保冷却板上下间的足够的导电性。
这种层叠电池中需设置被称为多支管的可向各单电池供给或排出燃料气体及氧化剂气体的供给排出孔。其中，一般为确保层叠电池内部的冷却水供给排出孔，采用所谓的内部多支管。
不论采用内部多支管还是外部多支管，都必须沿一个方向重叠含有冷却部分的多个单电池形成层叠体(层叠电池)，然后在该层叠体两端配置一对端板，再用固紧螺栓将这2块端板固定。
用固紧螺栓进行固紧时，最好尽量使单电池的平面方向均匀固紧。从机械强度考虑，端板和固紧螺栓通常采用不锈钢等金属材料。这些端板和固紧螺栓及层叠体通过绝缘板绝缘，形成电流不会通过端板向外部泄漏的结构。固紧螺栓可从隔板内部的贯通孔中穿过。此外，还提出过用金属带隔着端板将整个层叠体固紧的方法等。
由于以上获得的高分子电解质型燃料电池中作为电解质功能的电解质膜是含水状态，所以需要对燃料气体及氧化剂气体进行加湿处理后再供给。此外，高分子电解质膜在至少到100℃为止的温度范围内，含水率越高，离子传导性越好，电池的内阻越小，性能越佳。
但是，如果供给电池运转温度以上的高加湿气体，电池内部会产生露水，水滴会阻碍气体的顺利供给。与此同时，供给氧化剂气体的阴极侧因发电而生成水，所以出现生成水的除去效率和电池性能下降的问题。因此，通常供给露点略低于电池运转温度的加湿气体。
对一般的供给气体进行加湿处理的方法包括使温度保持在规定温度的去离子水中使供给气体起泡而加湿的起泡器加湿方法；使温度保持在规定温度的去离子水流过电解质膜等的水分容易移动的膜的一面，并使供给气体流过另一面而加湿的膜加湿方法等。在将甲醇或甲烷等化石燃料经过水蒸汽改性而获得的气体作为燃料气体使用时，由于改性气体中包含水蒸汽，所以有时不需要进行加湿处理。
经过加湿处理的燃料气体和氧化剂气体供给高分子电解质型燃料电池，用于发电。此时，层叠电池中的任何单电池的单一面内都有电流密度分布。即，燃料气体经过加湿后通过气体供给口供给燃料电池内，但燃料气体中的氢因发电而被消耗。因此，出现的现象是，气体通道的越上流部位，氢分压越高，水蒸汽分压越低，而气体通道的越下流部位，氢分压越低，水蒸汽分压越高。
此外，氧化剂气体也是经加湿后从气体供给口供给燃料电池内，但氧化剂气体中的氧因发电而被消耗，而且因发电还生成了水。因此，出现的现象是，气体通道的越上流部位，氧分压越高，水蒸汽分压越低，而气体通道的越下流部位，氧分压越低，水蒸汽分压越高。
由于用于冷却电池的冷却水温度是越接近入口处越低，越接近出口处越高，所以电池的单一面内出现温度分布。正是基于以上理由，在电池的单一面内出现了电流密度分布(性能分布)。
此外，上述电池的单一面内的燃料气体中的氢分压及水蒸汽分压的不均匀性、氧化剂气体中的氧分压及水蒸汽分压的不均匀性及温度分布等如果极大，不处于最佳状态，则会导致极端干燥(过干)状态或极端湿润(过湿)状态。此外，还会出现电池的单一面内同时存在过干状态和过湿状态的现象。因此，不仅仅限于会出现电流密度分布，有时还可能出现电池不起作用的问题。
在层叠电池中的单电池数目较多的情况下，如果层叠的这些单电池中的部分单电池出现上述问题，则这部分性能下降的单电池会影响整个层叠电池的运转。即，层叠电池中的一部分单电池如果处于过湿状态，则该单电池中供给气体用的压力损失就会增加。由于气体供给用多支管在层叠电池内与各单电池相连，所以如果有1个单电池陷入过湿状态，则气体将会变得难以流动，其他单电池也会处于过湿状态，其结果是这种过湿状态越来越严重。
相反，如果层叠电池中的一部分单电池处于过干状态，则该单电池中供给气体用的压力损失就会减少。因此，陷入过干状态的单电池中气体容易流动，其结果是这种过干状态越来越严重。
不论是供给燃料气体的阳极侧还是供给氧化剂气体的阴极侧，上述问题的产生多数情况下都是由于气体排出口侧的气体中的水蒸汽分压高于气体供给口侧。
高分子电解质型燃料电池作为电动汽车用电源使用时，不仅要求其体积小、重量轻及低成本等，还要求其在高输出时具备一定灵敏度，即在高电流密度下的高电流一电压特性。因此，希望能够避免上述过湿状态及过干状态的出现。
一般，高分子电解质型燃料电池的电极(阳极及阴极)由在高分子电解质膜两面形成的催化剂层和在该催化剂层外面形成的气体扩散层构成。气体扩散层主要有以下3个功能。
功能1是通过位于气体扩散层外面的气体通道使供给的燃料气体或氧化剂气体均匀地扩散到催化剂层中的功能。功能2是快速将在催化剂层生成的水排到气体通道中的功能。功能3是传递反应所必须的电子或生成的电子的功能。
因此，气体扩散层必须具备较高的反应气体透过性、水蒸汽透过性及电子传导性。传统技术中为提高气体透过性采用将气体扩散层制成多孔结构的方法；为提高水蒸汽透过性采用使含氟树脂等防水性高分子分散于气体扩散层中的方法；为提高电子导电性用碳纤维、金属纤维或碳粉等电子传导性材料形成气体扩散层的方法等。
但是，上述提高气体透过性、水蒸汽透过性及电子传导性的方法互相之间显示出产生相反的效果。例如，为提高气体透过性，若使碳纤维直径变小或减少填充量而使气体扩散层的孔隙率提高，则会导致电子传导性下降。此外，为提高水蒸汽透过性，若添加防水性高分子，则会使气体透过性及电子传导性下降。因此，致力于研究一种气体扩散层，它并不是用单一的材料构成的，例如，将碳纤维形成的层和由碳粉及防水性高分子形成的层组合，使两种相反的功能能够很好地得到兼顾。但是，上述碳粉作为气体扩散层，还没有对它的各种特性进行详细规定，目前没有实际使用的例子。
此外，一般使载有贵金属的碳粉与异丙醇等有机溶剂混合获得涂料，再利用丝网印刷法或转印法将该涂料涂布到基材上，可制得在构成气体扩散层的导电性多孔基材上配置载有催化剂即贵金属的碳粉而得到的电极。此外，还可采用调制含有催化剂粉末的浆料，再利用刮刀法等将该浆料涂布在树脂片上的方法。
这些电极的涂料中混合了载有聚四氟乙烯(PTFE)的碳粉，所以电极的防水性得到了提高。
为了减少由于电极面内的电流分布等导致的特性下降，比较有效的是改变电极的平面方向或气体扩散(厚度)方向的电极的防水性结构。特别是在电极的气体通道出口附近，存在与入口附近相比供给气体压力低、相对湿度下降而干燥的倾向，最好从入口开始到出口提高MEA内部的保水性。
但是，传统的丝网印刷法、刮刀法等电极制造法都不能改变平面方向的电极构成，另外在厚度方向上也需重复涂布，因此存在制造工艺复杂的问题。
如上所述，本发明的目的之一是解决以上历来存在的问题，提供通过使阳极及阴极的防水性随位置发生变化而具备高放电特性、特别是在高电流密度下具有高电流一电压特性的高分子电解质型燃料电池。此外，本发明的另一目的是提供通过优化阳极及阴极的碳粉的防水性、比表面积、一次粒径及DBP吸油量等性能而具有高放电性能的高分子电解质型燃料电池。
发明的揭示
本发明涉及高分子电解质型燃料电池，该电池中包含单电池，该单电池由在夹住氢离子传导性高分子电解质膜的位置层叠的阴极、阳极及夹住前述阴极及阳极的一对导电性隔板构成，这对导电性隔板上形成了向前述阳极供给或排出燃料气体及向阴极供给或排出氧化剂气体的气体通道，该电池的特征是，前述阴极及阳极由催化剂粒子、氢离子传导性高分子电解质、导电性多孔基材及防水剂构成，前述阴极及阳极的至少一方的防水性沿厚度方向或平面方向变化。
防水性最好连续变化，即防水性倾斜变化。
上述情况下，比较有效的是前述导电性多孔基材的防水性沿厚度方向变化，且前述导电性隔板侧的防水性高于前述氢离子传导性高分子电解质膜侧的防水性。
此外，比较有效的是前述导电性多孔基材的防水性沿平面方向变化，且前述隔板的气体出口侧的防水性高于前述隔板的气体入口侧的防水性。
本发明还涉及高分子电解质型燃料电池，该电池中包含单电池，该单电池由在夹住氢离子传导性高分子电解质膜的位置层叠的阴极、阳极及夹住前述阴极及阳极的一对导电性隔板构成，这对导电性隔板上形成了向前述阳极供给燃料气体和向阴极供给氧化剂气体的气体通道，该电池的特征是，前述阴极及阳极由催化剂粒子、氢离子传导性高分子电解质、导电性多孔基材及防水剂构成，前述阴极的防水性高于前述阳极。
这种情况下，前述导电性多孔基材的透气率以格利系数计最好为1～60秒/100mL。
前述阴极中的导电性多孔基材的透气率最好为前述阳极中的导电性多孔基材的透气率的1.2～2.0倍。
前述阴极中的导电性多孔基材的孔隙率最好为前述阳极中的导电性多孔基材的孔隙率的1.2～2.0倍。
前述阴极中的导电性多孔基材的厚度最好为前述阳极中的导电性多孔基材的厚度的1.2～3.0倍。
上述高分子电解质型燃料电池中比较有效的是，前述阴极及阳极具有与前述氢离子传导性高分子电解质膜接合的催化剂层及与前述导电性隔板接触的气体扩散层，前述催化剂层由载于碳粒的催化剂粒子和氢离子传导性高分子电解质构成，前述气体扩散层由含有碳粒的导电性多孔基材构成，前述气体扩散层中的碳粒的防水性高于前述催化剂层中的碳粒的防水性，前述阴极及阳极的至少一方的防水性沿厚度方向变化。
上述情况下，比较有效的是前述气体扩散层中的碳粒配置在前述催化剂层和前述导电性多孔基板的接合部位。
此外，比较有效的是前述气体扩散层中的碳粒的比表面积在前述催化剂层中的碳粒的比表面积的1/2以下。
另外，比较有效的是前述气体扩散层中的碳粒一次粒子的粒径在前述催化剂层中的碳粒一次粒子的粒径的1.3倍以上。
另外，比较有效的是前述气体扩散层中的碳粒的DBP吸油量在前述催化剂层中的碳粒的DBP吸油量的2/3以下。
附图说明
图1为在导电性多孔基材上进行喷涂时所用的涂布装置的构成图。
图2为本发明实施例及比较例获得的单电池的电流一电压特性图。
图3为在导电性多孔基材上进行喷涂时所用的另一涂布装置的构成图。
图4为本发明实施例及比较例获得的单电池的电流—电压特性图。
图5为本发明实施例制得的MEA的纵截面简图。
图6为表面形成了气体通道(沟槽)的导电性隔板的平面简图。
图7为表面形成了气体通道(沟槽)的另一导电性隔板的平面简图。
图8为本发明实施例及比较例制得的燃料电池的放电特性图。
图9为本发明实施例及比较例制得的燃料电池的放电特性图。
图10为本发明实施例及比较例制得的燃料电池的放电特性图。
图11为本发明实施例制得的燃料电池的立体简图。
图12为本发明实施例及比较例制得的燃料电池的放电特性图。
图13为本发明实施例及比较例制得的燃料电池的放电特性图。
图14为本发明实施例及比较例制得的燃料电池的放电特性图。
图15为本发明实施例及比较例制得的燃料电池的放电特性图。
具体实施方式
本发明提供通过控制阳极及阴极的防水性分布使燃料电池内部的气体及水分等顺利移动、且电池性能不容易下降的高分子电解质型燃料电池。因此，本发明在上述技术思想下具备各种实施方式。
本发明涉及高分子电解质型燃料电池，该电池中包含单电池，该单电池由在夹住氢离子传导性高分子电解质膜的位置层叠的阴极、阳极及夹住前述阴极及阳极的一对导电性隔板构成，这对导电性隔板上形成了分别向前述阴极及阳极供给或排出燃料气体及氧化剂气体的气体通道，该电池的特征是，前述阴极及阳极由催化剂粒子、氢离子传导性高分子电解质、导电性多孔基材及防水剂构成，前述阴极及阳极的至少一方的防水性沿厚度方向或平面方向变化。
即，本发明的高分子电解质型燃料电池具备氢离子传导性高分子电解质膜、夹住前述膜的一对电极(阳极及阴极)及形成了向各电极供给气体的通道的导电性隔板。
前述电极可具备形成了气体扩散层的导电性多孔基材及在前述基材和氢离子传导性高分子电解质膜之间形成的多孔催化剂层。此外，在前述导电性多孔基材和催化剂层之间还可形成导电性微粒(例如，碳粉)层。
本发明中，首先最好是构成前述电极的催化剂层、导电性多孔基材及导电性微粒层的至少一方的防水性沿平面方向变化。如果前述防水性如上所述从相连的导电性隔板的气体通道入口处到出口连续增加，则从气体通道入口到出口，MEA内部的保水性逐渐增加，因气体压力的下降使出口附近的干燥情况有所缓解。这样就可使电极面内的水分分布均匀，电极性能提高。
换言之，比较有效的是前述导电性多孔基材的防水性沿平面方向连续变化，前述隔板的气体排出口处的防水性高于气体入口侧的防水性。这样阻止出口附近的电极中的水分蒸发，从而防止内阻上升。
然后最好是使本发明中的催化剂层、导电性微粒层或导电性多孔基材的防水性沿厚度方向连续增加，特别是沿氢离子传导性高分子电解质膜到导电性多孔基材的方向(气体扩散方向的反方向)连续增加。利用这样的构成，可提高电极反应生成的水在MEA内部的保存能力。
换言之，比较有效的是前述导电性多孔基材的防水性沿厚度方向连续变化，且前述导电性隔板侧的防水性高于前述氢离子传导性高分子电解质膜侧的防水性。
本发明的燃料电池中最好是前述阴极及阳极具备与前述氢离子传导性高分子电解质膜接合的催化剂层及与前述导电性隔板接触的气体扩散层，前述催化剂层由载于碳粒的催化剂粒子和氢离子传导性高分子电解质构成，前述气体扩散层由含有碳粒的导电性多孔基材构成，前述气体扩散层中的碳粒的防水性比前述催化剂层的碳粒的防水性高，前述阴极及阳极的至少一方的防水性沿厚度方向变化。例如比较有效的是，前述电极的前述气体扩散层中配置的碳粒的防水性比前述催化剂层中配置的碳粒的防水性高。因此，本发明的高分子电解质型燃料电池具备能够均匀地向催化剂层的催化剂供给反应气体、且能够迅速排出生成的水的优点。
用能够以任意速度进行二维扫涂的喷嘴，单独将防水剂分散液或将防水剂分散液与催化剂粒子或导电性微粒一起涂布在被附着面(被涂布面)即氢离子传导性高分子电解质膜、催化剂层、导电性微粒层或导电性多孔基材上，通过这样的步骤，可实现前述的防水性沿气体通道方向或气体扩散方向的反方向(平面方向或厚度方向)倾斜变化。
利用前述步骤可在各分散液附着于被涂布面上之前使大部分溶剂蒸发，这样溶剂就不会使被涂布面发生膨润。
此外，前述步骤中，由于喷嘴可以任意速度进行二维扫涂，所以可使扫涂速度连续加快或减慢，而且可以使喷嘴沿着从气体通道入口到出口或从出口到入口的方向扫除，将防水剂分散液涂布在多孔催化剂层、导电性多孔基材或导电性微粒层上。此时，喷嘴的扫涂速度越慢，因喷嘴涂布而附着的单位面积的防水剂量越多。
另外，也可以将喷射催化剂粒子或导电性微粒的分散液的喷嘴和喷射防水剂的分散液的喷嘴靠近配置，以一定速度同时沿着从气体通道的入口到出口或从出口到入口的方向进行喷涂。此时，如果使催化剂粒子或导电性微粒的分散液的喷射速度保持一定，仅使防水剂分散液的喷射速度连续加快或减慢，同时由前述2个喷嘴一起向高分子电解质膜或导电性多孔基材上喷涂各分散液，则防水剂的喷射速度较快的扫涂部分因喷涂而附着的单位面积的防水剂量较多。
另外，也可以先将催化剂粒子或导电性微粒的分散液和防水剂的分散液送入混合用容器，将混合后的分散液依次送入喷嘴，使喷嘴沿气体通道入口到出口或从出口到入口的方向进行扫涂。此时，如果混合的分散液中的防水剂含量比随时间发生变化，则防水剂含量比较大的扫涂部分因喷涂而附着的单位面积的防水剂量较多。
因此，利用前述步骤能够容易地制得防水性沿气体通道方向倾斜变化的催化剂层、导电性多孔基材及导电性微粒层。
再有，还可以先将催化剂粒子或导电性微粒的分散液和防水剂的分散液送入混合用容器，将混合后的分散液依次送入喷嘴，固定喷嘴位置，将前述分散液喷涂在高分子电解质膜上或导电性多孔电极基材上。此时，如果混合的分散液中的防水剂含量比随时间发生变化，则同样能够制得具有防水性沿气体扩散方向(厚度方向)倾斜变化的催化剂层及导电性微粒层。此外，每次都改变分散液中的防水剂含量比而重复涂布，也可制得以上催化剂层及导电性微粒层。
喷涂各分散液时的条件可根据溶剂种类、防水剂种类等作适当选择。特别好的是喷嘴孔径为0.5～2mm，雾化压力(喷嘴的喷射压力)为0.5～3kgf/cm2，喷嘴高度(喷嘴与被附着面的距离)为5～30cm。此外，喷出的分散液中的微粒的平均粒径最好为0.1～20μm。
此外，各分散液中的固形组分含量最好为5～20重量％，粘度最好在50P以下。
前述氢离子传导性高分子电解质膜最好采用以美国杜邦公司生产的Nafion膜为代表的由全氟烃基磺酸形成的膜或HOECHST公司生产的烃系膜等。导电性多孔基材最好采用复写纸、碳布、碳-PTFE复合片(碳和PTFE混合后成形为片状)等。防水剂最好采用PTFE等含氟树脂。
前述催化剂粒子最好采用具有100～1000nm的平均粒径的载有贵金属的碳粉。催化剂粒子的分散液中还可含有高分子电解质、用含氟树脂进行过防水处理的碳粉及防水剂等。
导电性微粒层最好由具有0.1～10μm的平均粒径的碳材、金属材料、碳一高分子复合材料、金属一高分子复合材料等构成。其中，碳一高分子复合材料最好是附着了含氟树脂的碳粉。导电性微粒的分散液中还可含有高分子电解质及防水剂等。
前述溶剂可使用乙醇、异丙醇、丁醇、乙氧基乙醇、戊醇、乙酸丁酯、水等。它们可单独使用，也可2种以上组合使用。其中，从喷射后易于气化考虑，特别好的是乙醇、丁醇及乙酸丁酯。
本发明所用的形成对各电极提供气体的通道的导电性隔板，只要是以往一般采用的隔板即可，对其无特别限定。此外，对包含由前述电极和隔板层叠而获得的单电池的高分子电解质型燃料电池的形状等也无特别限定。
本发明的高分子电解质型燃料电池包含单电池，该单电池由在夹住氢离子传导性高分子电解质膜的位置层叠的阴极、阳极及夹住前述阴极及阳极且形成了分别向前述阴极及阳极供给或排出燃料气体及氧化剂气体的气体通道的一对导电性隔板构成，该高分子电解质型燃料电池最好采用以下构成。
即比较有效的是，前述阴极及阳极由与前述氢离子传导性高分子电解质膜接合的催化剂层及与前述导电性隔板接触的气体扩散层构成，前述催化剂层由载于碳粒的催化剂粒子和氢离子传导性高分子电解质构成，前述气体扩散层由含有碳粒的导电性多孔基材构成，配置在前述阴极的气体扩散层中的碳粒的防水性高于配置在前述阳极的气体扩散层中的碳粒的防水性。这样的优点是，不仅能够抑制因阴极中生成的水而导致气体扩散层浸湿，还可利用气体扩散层的防水性保存适量的水分，提高阴极的催化剂层中的保水效果。
此外，前述气体扩散层最好由导电性多孔基材构成，该导电性多孔基材中分散有碳粒。
本发明的高分子电解质型燃料电池中，前述导电性多孔基材的透气率以格利系数计为1～60秒/100mL。这样如果使构成气体扩散层的导电性多孔基材适当致密，就可兼顾电极导电率和气体扩散性，即使在较大的驱动电流下也可获得电压下降较少的高分子电解质型燃料电池。
比较有效的是前述阴极中的导电性多孔基材的透气率为前述阳极中的导电性多孔基材的透气率的1.2～2.0倍。这样的优点是，即使使用与燃料气体相比氧浓度较低的空气等作为氧化剂气体，也不会出现向催化剂层供给的氧化剂气体量不足的情况。如果小于1.2倍，则高电流密度区域中因氧供给不足而导致电压下降，如果超过2.0倍，则为确保高透气率而使孔隙率过高，存在电极强度和导电性下降等缺点。
此外比较有效的是，前述阴极中的导电性多孔基材的孔隙率为前述阳极中的导电性多孔基材的孔隙率的1.2～2.0倍。这样能够获得与上述透气率同样的效果。
前述阴极中的导电性多孔基材的厚度为前述阳极中的导电性多孔基材厚度的1.2～3.0倍。这样的优点是可充分确保各层控制防水性及保水性。如果在上述范围以外，则透气性、导电性及防水性都会下降的缺点。
另外比较有效的是，前述气体扩散层中的碳粒最好配置在前述催化剂层和前述导电性多孔基材的接合部位。例如，由配置于气体扩散层的碳粉和配置于催化剂层的碳粉混合构成的层形成于催化剂层和气体扩散层的界面，这样催化剂层和气体扩散层的接合面积增加。因而具有的效果是，反应气体、生成水及电子都能够有效且快速地移动，使电池性能得到提高。
另外比较有效的是，前述气体扩散层中的碳粒的比表面积在前述催化剂层中的碳粒的比表面积的1/2以下。比表面积较小的碳粉的吸水性低于比表面积较大的碳粉，但其防水性高于后者。因此，气体扩散层的碳粉的比表面积在催化剂层的碳粉的比表面积的1/2以下，可使气体扩散层的碳粉的防水性高于催化剂层的碳粉。
这里比较有效的是，使阴极侧的气体扩散层中作用的碳粉的比表面积在阳极侧的气体扩散层中挪用的碳粉的比表面积的1/2以下。这样能够快速地排出生成水，使阴极的气体扩散性得到提高。
另外比较有效的是，前述气体扩散层中的碳粒一次粒子的粒径在前述催化剂层中的碳粒一次粒子的粒径的1.3倍以上。碳粉一次粒子的粒径越小，其比表面积越大，防水性越差。因此，气体扩散层的碳粒粒径大于催化剂层碳粒粒径30％以上，可使气体扩散层的防水性高于催化剂层的防水性。
这里，使阴极侧的气体扩散层所用的碳粒一次粒子的粒径大于阳极侧的气体扩散层所用的碳粒一次粒子的粒径30％以上，可使生成水快速排出，并使阴极的气体扩散性得到提高。
另外比较有效的是，前述气体扩散层中的碳粒的DBP吸油量在前述催化剂层中的碳粒的DBP吸油量的2/3以下。橡胶用炭黑试验方法(JIS K 6221)规定的DBP吸油量越大的碳粒，其结构的多孔性越高。如果采用多孔性结构的碳粒，则比表面积较大，容易吸附水分而湿润。因此，使气体扩散层中的碳粒的DBP吸油量为催化剂层中的碳粒的DBP吸油量的2/3以下，可使气体扩散层的防水性和气体扩散性得到提高。
这里，使阴极侧的气体扩散层所用的碳粒的DBP吸油量在阳极侧的气体扩散层所用的碳粒的DBP吸油量的2/3以下，可使气体扩散层的防水性和气体扩散性都得到提高。
以下，利用实施例对本发明进行说明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
采用图1所示的喷涂装置及作为导电性多孔基材的膜厚为360μm的复写纸(东レ株式会社制)，配制具有沿气体通道方向倾斜的防水性的气体扩散层。
图1中，将聚四氟乙烯的分散液(大金工业株式会社制ND-1)装入容器1中，用搅拌叶轮搅拌。然后通过泵2将容器1中的分散液压入喷嘴3中。未从喷嘴3喷射出的溶液循环回收到容器1中。喷嘴3能够通过2个驱动装置以任意速度进行二维扫涂。
在复写纸4上配置60mm×60mm尺寸的遮蔽用框架5，一面从其上部用喷嘴3喷射分散液，一面使喷嘴3移动。这时，在沿组成单电池时的气体通道出口到入口的方向，使喷嘴一面连续加快扫涂速度一面移动。
沿气体通道方向裁切该复写纸，获得试验片。测定其重量后获知，从气体通道入口到出口为止含氟树脂对复写纸的添加量在0～50重量％的范围内连续增加。
然后，为了除去残留的溶剂和表面活性剂等，对防水处理后的复写纸(气体扩散层)进行烧结。接着，在气体扩散层上通过丝网印刷涂布催化剂粒子的分散液，形成催化剂层，获得电极。这里使用100目的丝网。
利用球磨机混合25重量％的载有铂的碳粉(平均粒径100～500nm)20g、全氟烃基磺酸的分散液(美国Aldrich公司制Nafion溶液，固形组分5重量％)225g、作为溶剂的丁醇250g及市售表面活性剂(日本表面活性剂工业株式会社制NP-10)数滴，调制出催化剂粒子的分散液。
丝网印刷后，使电极于80℃充分干燥，除去溶剂后，用2块电极夹住高分子电解质膜(美国杜邦公司制Nafion112)制得单电池。将该单电池装入单电池用电流-电压特性测定装置中，将氢气导入阳极(燃料极)，空气导入阴极(空气极)。此外，将电池温度设定为80℃，燃料利用率设定为90％，空气利用率设定为30％，进行加湿处理使氢气的露点达到75℃，空气露点达到65℃。所得电池的电流-电压特性如图2所示。
比较例1～3
将复写纸浸入前述ND-1分散液中，通过对该复写纸进行加热，使复写纸面内的含氟树脂添加量均匀，对复写纸进行防水处理。通过调整ND-1分散液的稀释度，制得含氟树脂在复写纸中的添加量分别为0重量％(未处理)、25重量％及50重量％的气体扩散层。除了使用这3种气体扩散层之外，其他操作都和实施例1相同。所得电池的电流-电压特性如图2所示。
从图2可知，与复写纸面内的含氟树脂添加量均匀的比较例1～3的电池相比，复写纸面内的含氟树脂添加量从气体通道入口到出口连续增加的实施例1的电池特性更佳。这就说明，不是简单地使含氟树脂总量发生变化，而是使复写纸面内的含氟树脂添加量连续倾斜地发生变化，对电池特性提高才有效果。这里，复写纸面内的含氟树脂添加量在0～50重量％的范围内变化。但是，即使在根据电池的工作条件等而使上述添加量发生变化的情况下，只要含氟树脂添加量从气体通道入口到出口连续增加，则都能够获得同样效果。
实施例2
在图3所示喷涂装置中配置ND-1分散液、导电性微粒分散液(含有100g电化学工业株式会社生产的Denka Black、900g水及2g表面活性剂TritonX-100)及复写纸，在构成气体扩散层的复写纸上形成作为导电性微粒层的碳层。
将ND-1分散液和碳分散液分别装入容器6和7中，分别用搅拌叶轮进行搅拌。然后用泵8将容器6中的ND-1分散液压入喷嘴9，用泵10将容器7中的碳分散液压入喷嘴3。此外，将未使用的ND-1分散液和碳分散液循环回收到容器中。将喷嘴3及9相邻设置，它们能够通过2个驱动装置以任意速度进行二维扫涂。
在复写纸4上配置60mm×60mm尺寸的遮蔽用框架5，一面从其上部用喷嘴3及9喷射(微粒化)ND-1分散液及碳分散液，一面使喷嘴移动。这时，在沿组成单电池时的气体通道入口到出口的方向，一面使喷嘴9的喷射量连续增加，一面从一定速度移动，而喷嘴3则以一定喷射量和相同速度移动。调整喷射量，使得从气体通道入口到出口在复写纸上添加的碳量为1.5～2.5mg/cm2，含氟树脂添加量/碳量之比在0.25～1.0(重量比)的范围内连续增加，获得气体扩散层。
然后，为了除去残留的溶剂和表面活性剂等，在350～380℃的温度下对气体扩散层进行加热。除了使用上述气体扩散层之外，其他操作都与实施例1相同。所得电池的电流-电压特性如图4所示。
比较例4～6
调制含氟树脂量/碳量之比分别为0.25、0.5及1.0(重量比)的分散液，用实施例1所用的涂布装置将上述分散液均匀涂布在复写纸上，使碳量为1.5～2.5mg/cm2。除了使用形成以上3种碳层的复写纸(气体扩散层)之外，其他操作都与实施例1相同。所得电池的电流-电压特性如图4所示。
从图4可知，与碳层的含氟树脂添加量均匀的3种电池中的任一种(比较例4～6)相比，碳层的含氟树脂添加量从气体通道入口到出口连续增加的电池(实施例2)的特性更佳。这就说明，不是简单地使碳层中的含氟树脂总添加量发生变化，而是使碳层中的含氟树脂添加量从气体通道入口到出口连续倾斜地发生变化，对电池特性提高才有效果。
这里，含氟树脂添加量/碳量之比在0.25～1.0(重量比)的范围内连续倾斜变化。但是，即使在根据电池的工作条件而使上述比例发生变化的情况下，只要前述比例从气体通道入口到出口连续增加，则都能够获得同样效果。
实施例3～7
本实施例中，首先制成具有图5所示结构的MEA17。使碳粉(美国CABOT公司生产的VulcanXC72，一次粒径30nm，比表面积254m2/g，DBP吸油量174cc/100g)上载有25重量％的平均粒径约30埃的铂粒子，获得电极用催化剂。使分散有该催化剂粉末的异丙醇溶液和分散有化学式(1)：
Figure C0081199700181
表示的全氟烃基磺酸粉末的乙醇分散液混合，调制出催化剂糊状物。
另一方面，对作为构成电极的气体扩散层的导电性多孔基材的复写纸进行防水处理。使厚度为360μm的碳非织造布11(东レ株式会社制TGP-H-120)浸入四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(FEP)的水性分散液(大金工业株式会社Neoflon ND-1)中，干燥后于380℃加热30分钟，赋予防水性。
然后，使碳粉(电化学工业株式会社制乙炔黑HS-100，一次粒径53nm、比表面积37m2/g，DBP吸油量200cc/100g)分散在上述Neoflon ND-1中，获得碳粉和FEP的混合重量比为87∶13的糊状物。将该糊状物涂布在前述经过防水处理的碳非织造布11表面，干燥后于380℃加热30分钟，形成碳粉层12。此时，碳粉层12的一部分埋入碳非织造布11中。这样就制得了由碳非织造布11和碳粉层12形成的气体扩散层13。
采用丝网印刷法将前述催化剂糊状物涂布在该碳粉层12上，形成催化剂层14。这样制得由催化剂层14、碳粉层12及碳非织造布11构成的电极16。
电极中的铂量为0.5mg/cm2，全氟烃基磺酸量为1.2mg/cm2。该电极16可用作阳极，也可用作阴极。
这里，用于气体扩散层的碳粉(电化学工业株式会社制乙炔黑HS-100)的防水性比用于催化剂层的碳粉(VulcanXC72)好。此外，防水性的评估按照以下方法进行。
首先，用刮刀将作为被检物的碳粉粒子平整地涂布在玻璃表面，在其上滴下表面张力(mN/m)不同的溶液。观察滴下的溶液是从碳粒的涂布面渗入内部还是不沾在涂布面上。不沾上表面张力较小的溶液的碳粒，其防水性较强。例如，水及乙醇的表面张力分别为72及22(mN/m)，水和乙醇都不沾上的碳粒的防水性比不沾水但沾乙醇的碳粒的防水性好。以上评估结果如表1所示。表1所示为各种碳粒的物性和上述防水性评估结果。防水性一栏记载的值是不沾上碳粒的溶液的最小表面张力(mN/m)。
然后，通过热压法在比前述电极16大5mm的氢离子传导性高分子电解质膜(美国杜邦公司制Nafion112)15的两面接合一对电极16，使催化剂层14与电解质膜15一侧接触，获得MEA17，用导电性隔板夹住该MEA17获得单电池。使酚醛树脂浸入通过冷压使碳粉材料成形而获得的碳板中，固化后就可制得上述导电性隔板。使树脂浸入碳板中可改善气密性。然后，再对前述碳板进行切削加工，形成气体通道。
图6及图7为表面形成了气体通道(沟槽)的导电性隔板的平面简图。图6所示为形成于导电性隔板表面的燃料气体用气体通道的形状，其背面形成了形状相同的氧化剂气体用气体通道。图7所示为形成了燃料气体用气体通道的导电性隔板的背面形成的冷却水用通道的形状。隔板的尺寸为10cm×20cmm×4mm，构成气体通道的沟槽21是宽为2mm、深为1.5mm的凹部，气体通过该凹部。此外，气体通道间的凸缘部分22为宽度为1mm的凸部。此外，形成了氧化剂气体的多支管孔(注入口23a、出口23b)、燃料气体的多支管孔(注入口24a、出口24b)及冷却水的多支管孔(注入口25a、出口25b)。此外，形成在聚异丁烯中分散有导电性碳的导电性气密部分26。
用2块图6所示的导电性隔板夹住以上制得的图5所示的MEA17，是用一块隔板的燃料气体用气体通道面向MEA17，用另一隔板的氧化剂气体用气体通道面向MEA17，获得单电池A。此外，用2块图7所示的导电性隔板夹住图5所示的MEA17，是用一块隔板的燃料气体用气体通道面向MEA17，用另一块隔板的冷却水用通道面向MEA17，获得单电池B。
然后，交替层叠单电池A和单电池B，合计层叠50个单电池获得层叠体。在该层叠体的两端依次重叠金属制集电板、电绝缘材料制成的绝缘板及端板，获得组合体。用穿过该组合体的螺栓和螺母固紧这两块端板，获得电池模块。此时对于隔板的固紧压力为10kgf/cm2。为固紧组合体而使用的固紧螺栓设置在与设有气体的导入或排出口的侧面不同的侧面。以上制得的电池模块为燃料电池1(实施例3)。
接着，制成具有不同结构的MEA的燃料电池。将与实施例3不同的碳粉配置在催化剂层和气体扩散层中，制得燃料电池2～8(实施例4～7及比较例7～9)。除了碳粉以外的其他构成要素都与实施例3相同。所用碳粉的种类和物性如表1所示。此外，用于燃料电池的阴极及阳极的碳材编号、电池构成及电池编号如表2所示。表1的粒径为一次粒子的粒径。
                               表1
  材料   粒径(nm)   DBP吸油量(ml/100g)   比表面积(m2/g)   防水性(mN/m)
  1   CABOT公司制BP3700   53   111   38   72以上
  2   CABOT公司制BP3700   30   174   254   72以上
  3   电化学工业(株)制HS-100   53   200   37   36
  4   电化学工业(株)制粒状物   35   230   68   32
  5   三菱化学(株)制#3030B   55   130   29   40
  6   三菱化学(株)制#3030B   40   180   50   38
  7   AKZO公司制EC600JD   30   495   1270   72以上
  8   AKZO公司制EC   30   360   800   72以上
                              表2
  电池   阴极   阳极
  催化剂层   气体扩散层   催化剂层   气体扩散层
  实施例   3   1   2   3   2   3
  4   2   2   4   2   3
  5   3   2   5   2   5
  6   4   7   5   7   5
  7   5   8   6   8   6
  比较例   7   6   2   2   2   2
  8   7   3   3   3   3
  9   8   7   7   7   7
[评估]
对以上获得的实施例3～7及比较例7～9获得的燃料电池1～8进行放电特性试验。
向燃料电池的阳极供给纯氢气，向阴极供给空气，将电池温度维持在75℃。燃料气体的利用率(Uf)为70％，空气利用率(Uo)为20％。将燃料气体通入85℃的加湿器中，将空气通入65～70℃的加湿器中，进行气体加湿。
图8所示为本发明实施例的燃料电池1～3和比较例的燃料电池6的放电特性。图9所示为本发明实施例的燃料电池4和5及比较例的燃料电池7和8的放电特性。从图8和图9可知，本发明的燃料电池与比较例的燃料电池相比，具有更佳的特性。
实施例8～10
制成具备催化剂层和气体扩散层的电极。使用在乙炔黑粉末上载有25重量％的平均粒径约30埃的铂粒子而形成的电极用催化剂。使分散有该催化剂粉末的异丙醇溶液和分散有上述化学式(1)表示的全氟烃基磺酸粉末的乙醇分散液混合，调制出催化剂糊状物。
另一方面，对作为构成电极的气体扩散层的导电性多孔基材的复写纸进行防水处理。使乙炔黑分散在含氟树脂的水性分散液(大金工业株式会社制Neoflon ND-1)中，制得糊浆(含氟树脂的固形组分∶乙炔黑＝1∶1(重量比))。将该糊浆涂布在厚度为360μm的碳非织造布11(东丽株式会社制TGP-H-120)上，干燥后于380℃加热30分钟，这样获得具有防水性的气体扩散层。为了维持气体扩散层的气体扩散性和导电性，调整糊浆的涂布量使干燥后的格利系数达到1～60(秒/100mL)。格利系数的评估以JIS-P8117为准。格利系数越小，气体扩散层越疏松，导电性将会劣化。相反，格利系数越大，气体扩散层越致密，透气性将会劣化。
通过丝网印刷法在以上获得的作为具有防水性的气体扩散层的碳非织造布的一面涂布上述催化剂糊状物，形成催化剂层。这时该催化剂层的一部分埋入碳非织造布中，获得具有催化剂层32和气体扩散层31的电极33(参考图10)。电极中的铂含量为0.5mg/cm2，全氟烃基磺酸含量为1.2mg/cm2。
然后，在尺寸比电极33大2mm的氢离子传导性高分子电解质膜34的正反表面配置2个电极33，使催化剂层32与电解质膜34一侧接触。于130℃5分钟、以38kgf/cm2的压力采用热压的方式使它们连接，获得图10所示的MEA35。这里所用的氢离子传导性高分子电解质膜为以上化学式(1)(其中的m＝2)表示的全氟烃基磺酸形成的厚度为50μm的膜。
与实施例3相同，用图6或图7所示形成了气体通道的导电性隔板(双极板)从两侧夹住以上制得的MEA，获得单电池。
将2个单电池层叠后，层叠形成有冷却水流过的冷却通道的导电性隔板作为冷却部分，以该顺序反复层叠。
按照该要领，合计层叠40个单电池获得层叠体，在层叠体两端配置金属制集电板、电绝缘材料形成的绝缘板及端板，用固紧螺栓固定，获得组合体。此时的固紧压力对应于导电性隔板的单位面积为10kgf/cm2。
在以上获得的组合体中配置图11所示多支管。如图11所示，在组合体的上部及下部配置了SUS304制金属端板41。此外，在组合体的两个侧面配置了绝缘体42，在多支管44及45间装有垫圈43。利用前述多支管44向阳极供给氢气，利用多支管45供给冷却水。此外，利用多支管46向阴极供给空气，这样制得本发明实施例8的燃料电池A。
作为燃料气体的纯氢气通过温度保持在75℃的去离子水起泡器进入燃料电池A，作为氧化剂气体的空气则通过温度保持在规定值的去离子水起泡器进入燃料电池A，另外还通入冷却水进行发电试验。此时，燃料气体、氧化剂气体和冷却水都是从同一方向导入的，气体出口以常压开放。调节冷却水量使燃料电池的温度保持在75℃，在氢气利用率为70％、氧利用率为40％、氢加湿器温度为75℃、空气加湿器温度为65℃的条件下运行，进行电流-电压特性试验，其结果如图12所示。
图12中，为进行比较，同时列出了气体扩散层的格利系数为0.5的燃料电池B和气体扩散层的格利系数为70的燃料电池C的评估结果。燃料电池B和燃料电池C的构成除了气体扩散层的格利系数之外，其他都与燃料电池A相同。
从图12中可知，由于燃料电池B的导电率较低，燃料电池C的气体扩散性较低，所以这两种电池在高电流密度下的电池性能都有所下降。与以上不同的是，燃料电池A兼顾气体扩散性和导电率，都较高，与燃料电池B及C相比，燃料电池A具有更佳的特性。
同样，阴极中的气体扩散层的透气率为阳极中的气体扩散层的透气率的1.2～2.0倍时，也能够获得与本实施例相同的良好特性。
阴极中的气体扩散层的孔隙率为阳极中的气体扩散层的孔隙率的1.2～2.0倍时，也能够获得与本实施例相同的良好特性。
实施例11
本实施例中，除了通过改变构成气体扩散层的导电性多孔基材即复写纸的厚度，使阴极的气体扩散层的厚度为阳极的气体扩散层厚度的1.5倍之外，其他都与实施例8的燃料电池A相同，制得燃料电池D。由于该燃料电池D能够保证必须使生成水蒸发的阴极侧具备足够的蒸发面积，所以过量的水分可安全且迅速地排出，能够防止因润湿而导致的性能下降。
在与实施例8相同的条件下，对燃料电池D的电流-电压特性进行评估，其结果如图13所示。从图13中可知，本实施例的燃料电池D与实施例8的燃料电池A具备几乎同等的电池特性。
实施例12
实施例8～11制得的燃料电池中的气体扩散层的格利系数受到制得MEA及组合体时加压的压力影响。实施例8的燃料电池A的制造过程中，在通过热压制得MEA时，调整施加的压力，使加压后的气体扩散层的厚度为加压前的气体扩散层的厚度的75～90％。
除了使燃料电池E、F及G的通过热压制得MEA时的压力分别为35、20及50kgf/cm2之外，其他操作都和实施例8的燃料电池A相同。本实施例中，改变了MEA热压时的压力，评估所受影响，其结果如图14所示。
从图14可知，压力过大的燃料电池G的厚度约为燃料电池E的70％，由于气体扩散层压曲，透气性极端下降，所以高电流密度区域内的特性下降。此外，由于施加的压力较小的燃料电池F的厚度约为燃料电池E的130％，接触电阻较大，所以电压整体下降。
实施例13
本实施例的组合体与实施例8的组合体相比，其电极面积更大，沿设置在导电性隔板上的气体通道与凸缘接触部分的气体扩散层薄而致密，与气体通道部分接触的部分气体扩散层厚而疏松。除了气体扩散层的致密部分的厚度为疏松部分的厚度的70～95％之外，其他都与实施例8的燃料电池A相同，获得燃料电池H。
燃料电池H中，能够通过气体通道的气体，通过气体扩散层到达催化剂层。与凸缘接触的部分气体扩散层的透气性如果较高，则通过该部分的气体扩散层使气体在相邻气体通道间移动，造成气体不能够沿气体通道到达MEA的每个角落。特别是随着电极面积的增大，气体很难到达MEA的每一处。相反，如果透气性较低，则位于与凸缘相对应部分的催化剂层的气体供给就不够充分，导致电池性能下降。因此，必须使与凸缘接触的部分气体扩散层的透气性适当下降。
气体扩散层具有将因反应而产生的电子集中起来的作用，气体通道中产生的电子被运送到凸缘部分。因此，在气体扩散层的较厚部分和较薄部分的密度相同的情况下，位于气体通道部分的气体扩散层变厚，截面积变大，导电性更佳。
在与实施例8相同的条件下对燃料电池H进行电流-电压特性试验，其结果如图15所示。从图15可知，具有较大电极面积的本实施例的燃料电池H与实施例8的燃料电池A的电池特性几乎相同。
产业上利用的可能性
如上所述，本发明提供通过使阳极及阴极的防水性随位置发生变化而具备高放电特性、特别是在高电流密度下具有高电流-电压特性的高分子电解质型燃料电池。此外，本发明提供通过优化构成阳极及阴极的气体扩散层中的碳粉的防水性、比表面积、一次粒径及DBP吸油量等性能而具有高放电性能的高分子电解质型燃料电池。

Claims (8)

1.高分子电解质型燃料电池，所述电池中包含单电池，所述单电池由在夹住氢离子传导性高分子电解质膜的位置层叠的阴极、阳极及夹住前述阴极及阳极的一对导电性隔板构成，所述导电性隔板上形成了向前述阳极供给或排出燃料气体及向阴极供给或排出氧化剂气体的气体通道，其特征在于，前述阴极及阳极由催化剂粒子、氢离子传导性高分子电解质、导电性多孔基材及防水剂构成，前述阴极及阳极的至少一方的防水性沿厚度方向或平面方向连续变化，前述导电性多孔基材的防水性沿厚度方向变化，且前述导电性隔板侧的防水性高于前述氢离子传导性高分子电解质膜侧的防水性，或前述导电性多孔基材的防水性沿平面方向变化，且前述隔板的气体出口侧的防水性高于前述隔板的气体入口侧的防水性。
2.高分子电解质型燃料电池，所述电池中包含单电池，所述单电池由在夹住氢离子传导性高分子电解质膜的位置层叠的阴极、阳极及夹住前述阴极及阳极的一对导电性隔板构成，所述导电性隔板上形成了向前述阳极供给燃料气体和向前述阴极供给氧化剂气体的气体通道，其特征在于，前述阴极及阳极由催化剂粒子、氢离子传导性高分子电解质、导电性多孔基材及防水剂构成，前述阴极的防水性高于前述阳极。
3.如权利要求1或2所述的高分子电解质型燃料电池，其中，前述导电性多孔基材的透气率以格利系数计为1～60秒/100mL。
4.如权利要求2所述的高分子电解质型燃料电池，其中，前述阴极中的导电性多孔基材的透气率为前述阳极中的导电性多孔基材的透气率的1.2～2.0倍。
5.如权利要求2～4中的任一项所述的高分子电解质型燃料电池，其中，前述阴极中的导电性多孔基材的孔隙率为前述阳极中的导电性多孔基材的孔隙率的1.2～2.0倍。
6.如权利要求2～5中的任一项所述的高分子电解质型燃料电池，其中，前述阴极中的导电性多孔基材的厚度为前述阳极中的导电性多孔基材的厚度的1.2～3.0倍。
7.如权利要求1或2所述的高分子电解质型燃料电池，其中，前述阴极及阳极具有与前述氢离子传导性高分子电解质膜接合的催化剂层及与前述导电性隔板接触的气体扩散层，前述催化剂层由载于碳粒上的催化剂粒子和氢离子传导性高分子电解质构成，前述气体扩散层由含有碳粒的导电性多孔基材构成，前述气体扩散层中的碳粒的防水性高于前述催化剂层中的碳粒的防水性，前述阴极及阳极的至少一方的防水性沿厚度方向变化。
8.如权利要求7所述的高分子电解质型燃料电池，其中，前述气体扩散层中的碳粒配置在前述催化剂层和前述导电性多孔基板的接合部位。
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Families Citing this family (61)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7098163B2 (en) * 1998-08-27 2006-08-29 Cabot Corporation Method of producing membrane electrode assemblies for use in proton exchange membrane and direct methanol fuel cells
JP3813406B2 (ja) * 2000-02-22 2006-08-23 三洋電機株式会社 燃料電池
JP4944345B2 (ja) * 2000-06-22 2012-05-30 パナソニック株式会社 高分子電解質型燃料電池、ならびにその電極の製造方法および製造装置
JP2002280005A (ja) * 2001-03-15 2002-09-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池
JP2002313359A (ja) * 2001-04-17 2002-10-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体高分子型燃料電池
JP3562809B2 (ja) * 2001-09-28 2004-09-08 松下電器産業株式会社 高分子電解質型燃料電池用ガス拡散層とそれを用いた電解質膜−電極接合体および高分子電解質型燃料電池
EP1298745B1 (en) * 2001-09-28 2010-04-21 Panasonic Corporation Polymer electrolyte fuel cell
WO2003060011A2 (de) * 2001-11-22 2003-07-24 HÄRING, Rima Modifizierte kovalent vernetzte polymere
JP2003173785A (ja) * 2001-12-05 2003-06-20 Mitsubishi Electric Corp 固体高分子型燃料電池用触媒層の形成方法及びその形成装置
AU2003223846A1 (en) * 2002-02-28 2003-09-29 Thomas Haring Layered structures and method for producing the same
CN1309106C (zh) * 2002-03-26 2007-04-04 松下电器产业株式会社 电解质膜电极复合体、使用该复合体的燃料电池及其制造方法
JP4294263B2 (ja) * 2002-05-21 2009-07-08 Ｊｓｒ株式会社 電極用触媒ペースト組成物
US6916573B2 (en) * 2002-07-24 2005-07-12 General Motors Corporation PEM fuel cell stack without gas diffusion media
DE10333289A1 (de) * 2002-07-24 2004-09-02 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit Vorrichtung zur Formung einer katalytischen Beschichtng auf einem Substrat
JP2004139835A (ja) * 2002-10-17 2004-05-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池
AU2003285272A1 (en) * 2002-11-20 2004-06-15 Ballard Power Systems Inc. Gas diffusion electrode comprising a structure which influences its physical characteristics
JP3945440B2 (ja) * 2003-03-31 2007-07-18 セイコーエプソン株式会社 燃料電池、その製造方法、電子機器および自動車
JP4177697B2 (ja) * 2003-04-09 2008-11-05 松下電器産業株式会社 高分子膜電極接合体および高分子電解質型燃料電池
US20050026019A1 (en) * 2003-07-28 2005-02-03 Herman Gregory S. Doped substrate and method of fabrication
JP4064890B2 (ja) * 2003-07-30 2008-03-19 Ｊｓｒ株式会社 電極用ペーストの製造方法
US7722996B2 (en) * 2003-08-25 2010-05-25 Panasonic Corporation Polymer electrolyte fuel cell system and operation method thereof
JP4397215B2 (ja) * 2003-10-31 2010-01-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
TWI233233B (en) * 2003-12-31 2005-05-21 You-Jen Jang Manufacturing method of fuel cell part with capability of improving water drainage of electrode
JP3912384B2 (ja) * 2004-02-10 2007-05-09 セイコーエプソン株式会社 燃料電池の製造方法
JP2005235435A (ja) * 2004-02-17 2005-09-02 Seiko Epson Corp 機能性材料層形成用組成物、機能性材料層の形成方法、燃料電池の製造方法、電子機器および自動車
ATE475203T1 (de) * 2004-03-05 2010-08-15 Umicore Ag & Co Kg Membran-elektrodeneinheit
WO2005104275A1 (ja) * 2004-04-22 2005-11-03 Nippon Steel Corporation 燃料電池及び燃料電池用ガス拡散電極
US7429429B2 (en) * 2004-06-02 2008-09-30 Utc Power Corporation Fuel cell with thermal conductance of cathode greater than anode
JP2006012476A (ja) * 2004-06-23 2006-01-12 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用膜−電極接合体
JP4233045B2 (ja) * 2004-09-30 2009-03-04 本田技研工業株式会社 燃料電池の膜電極接合体
JP4888628B2 (ja) * 2004-10-01 2012-02-29 Ｎｏｋ株式会社 燃料電池用構成部品の製造方法
JP4821111B2 (ja) * 2004-12-08 2011-11-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
KR100670279B1 (ko) * 2005-01-26 2007-01-16 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 얇은 막전극 접합체 및 이를 채용한 연료전지
JP5168755B2 (ja) * 2005-02-04 2013-03-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP2007042446A (ja) * 2005-08-03 2007-02-15 Toyota Motor Corp 部材の評価方法、燃料電池の製造方法及び燃料電池
JP2007048495A (ja) * 2005-08-08 2007-02-22 Gs Yuasa Corporation:Kk 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層およびそれを用いた固体高分子形燃料電池
JP5182908B2 (ja) * 2005-09-08 2013-04-17 日東電工株式会社 膜電極接合体および燃料電池
WO2007038132A1 (en) * 2005-09-21 2007-04-05 Jones Eric T Fuel cell device
US20080286632A1 (en) * 2005-10-27 2008-11-20 Madeleine Odgaard Membrane Electrode Assemblies for Polymer Electrolyte Hydrogen and Direct Methanol Fuel Cells and Methods for Their Production
US8129073B2 (en) 2005-11-25 2012-03-06 Panasonic Corporation Catalyst-coated membrane, membrane-electrode assembly, fuel cell and fuel cell stack
JP5011746B2 (ja) * 2006-02-20 2012-08-29 凸版印刷株式会社 触媒電極
KR100833056B1 (ko) 2006-03-31 2008-05-27 주식회사 엘지화학 연료전지용 강화-복합 전해질막
DE112007000054B4 (de) * 2006-06-21 2015-06-03 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Brennstoffzelle
WO2008068887A1 (ja) * 2006-11-27 2008-06-12 Kabushiki Kaisha Toshiba 燃料電池
DE102007014046B4 (de) * 2007-03-23 2011-07-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 Brennstoffzelle sowie Verfahren zu deren Herstellung
JP4720800B2 (ja) * 2007-07-23 2011-07-13 トヨタ自動車株式会社 膜電極接合体製造方法
US20090104476A1 (en) * 2007-10-17 2009-04-23 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell stack with asymmetric diffusion media on anode and cathode
CN101685710B (zh) * 2008-09-26 2012-07-04 通用电气公司 制备组合物、包含组合物的薄片及包含薄片的电极的方法
US8999603B2 (en) 2008-10-31 2015-04-07 Panasonic Corporation Gas diffusion layer for fuel cell, manufacturing method therefor, membrane electrode assembly, and fuel cell
EP2343762B1 (en) * 2008-10-31 2014-05-07 Panasonic Corporation Membrane electrode assembly and fuel cell
JP5613505B2 (ja) * 2010-09-08 2014-10-22 東芝燃料電池システム株式会社 燃料電池およびその製造方法並びに燃料電池用のカーボン多孔質層の製造方法
JP5633492B2 (ja) * 2011-09-15 2014-12-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP6178041B2 (ja) * 2012-01-13 2017-08-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用拡散層の製造方法
CN104204302B (zh) * 2012-03-28 2016-12-28 贝卡尔特公司 多孔金属性扩散基材和聚合物分隔膜的组件
US20170141411A1 (en) * 2014-06-24 2017-05-18 Panasonic Corporation Gas diffusion electrode, electrochemical device, and fuel cell
JP7129751B2 (ja) * 2014-10-17 2022-09-02 東レ株式会社 炭素シート、ガス拡散電極基材、および燃料電池
JP2017059305A (ja) * 2015-09-14 2017-03-23 東洋紡株式会社 燃料電池用ガス拡散層
CN110998936B (zh) * 2017-06-19 2022-10-11 米兰综合工科大学 具有用于改善耐久性的优化操作的局部工程化的pem电池部件
US11189843B2 (en) * 2018-04-13 2021-11-30 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Membrane catalyst layer assembly of electrochemical device, membrane electrode assembly, electrochemical device, method for manufacturing membrane catalyst layer assembly of electrochemical device
JP2022123668A (ja) * 2021-02-12 2022-08-24 凸版印刷株式会社 膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池
CN115000422B (zh) * 2022-04-22 2023-11-10 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池多孔催化层及其制备方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60193269A (ja) 1984-03-13 1985-10-01 Japan Goatetsukusu Kk ガス拡散電極用材料
JPS61225768A (ja) * 1985-03-29 1986-10-07 Agency Of Ind Science & Technol 燃料電池のガス拡散電極
JP3245929B2 (ja) * 1992-03-09 2002-01-15 株式会社日立製作所 燃料電池及びその応用装置
JP2842150B2 (ja) * 1992-06-02 1998-12-24 株式会社日立製作所 固体高分子型燃料電池
JP3331703B2 (ja) * 1993-11-09 2002-10-07 株式会社豊田中央研究所 燃料電池
JPH08117598A (ja) 1994-10-19 1996-05-14 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 高分子固体電解質型燃料電池用触媒
JPH09245801A (ja) 1996-03-11 1997-09-19 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 高分子固体電解質型燃料電池用電極及びその製造方法
JP3755840B2 (ja) * 1996-03-11 2006-03-15 田中貴金属工業株式会社 高分子固体電解質型燃料電池用電極
JPH09283153A (ja) * 1996-04-09 1997-10-31 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
US5783325A (en) * 1996-08-27 1998-07-21 The Research Foundation Of State Of New York Gas diffusion electrodes based on poly(vinylidene fluoride) carbon blends
JP3773325B2 (ja) * 1997-03-17 2006-05-10 ジャパンゴアテックス株式会社 高分子固体電解質燃料電池用ガス拡散層材料及びその接合体
IT1291603B1 (it) * 1997-04-18 1999-01-11 De Nora Spa Elettrodi a diffusione gassosa per cella a combustibile a membrana polimerica
JPH1167225A (ja) 1997-08-21 1999-03-09 Toshiba Corp 燃料電池用ガス拡散電極
JPH11135133A (ja) 1997-08-28 1999-05-21 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
JPH11154523A (ja) * 1997-11-19 1999-06-08 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池の単セルおよびスタック
US6030718A (en) * 1997-11-20 2000-02-29 Avista Corporation Proton exchange membrane fuel cell power system
US6399202B1 (en) * 1999-10-12 2002-06-04 Cabot Corporation Modified carbon products useful in gas diffusion electrodes

Also Published As

Publication number Publication date
WO2001017047A9 (fr) 2002-07-25
WO2001017047A1 (fr) 2001-03-08
US6818339B1 (en) 2004-11-16
EP1229600A1 (en) 2002-08-07
EP1229600A4 (en) 2006-05-17
JP4326179B2 (ja) 2009-09-02
KR20020020936A (ko) 2002-03-16
CN1387682A (zh) 2002-12-25
KR100427166B1 (ko) 2004-04-14

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