[发明专利]固体高分子型燃料电池用气体扩散层构件及固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池用气体扩散层构件及固体高分子型燃料电池(高分子电解质型燃料电池：PEFC)。

背景技术

利用氢和氧的燃料电池的反应生成物原理上只有水，因此作为环境负荷少的绿色能源受到关注。尤其是固体高分子型燃料电池易处理、能够有望高功率密度化，研究活动及面向实用化的尝试日趋活跃。其应用领域宽，可例举例如汽车或巴士这类转移体的动力源，一般家庭的固定式电源，或小型便携终端的电源等。

固体高分子型燃料电池由多个单体电池堆栈(层叠)而成。图1所示为单体电池的典型的结构。在图1中，高分子电解质膜(离子交换膜)10被一对催化剂层20、21从两侧夹住，这对催化剂层20、21又被一对碳纤维质集电层(也称多孔支持层、气体扩散层)40、41从两侧夹住，这对碳纤维质集电层40、41的外侧向由隔板60、61形成的气体流路(燃料气体流路50、含氧气体流路51)开放。从流路50导入的燃料气体(H₂等)通过第1碳纤维质集电层(阳极侧碳纤维质集电层)40，到达第1催化剂层(阳极、燃料极)20。在这里，燃料气体通过以下所示的阳极电极反应放出电子，同时生成质子(H⁺)。该质子通过高分子电解质膜10，到达第2催化剂层(阴极、氧极)21。在这里，质子通过以下所示的阴极电极反应接受电子生成H₂O。

阳极电极反应：H₂→2H⁺+2e^-

阴极电极反应：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

高分子电解质膜10普遍使用以Nafion(注册商标、杜邦公司(デユポン社)制)为代表的全氟类电解质或烃类电解质。高分子电解质膜10为了传导质子，需要H₂O的相伴。此外，催化剂层20、21由催化剂金属及质子传导电解质构成，在这些催化剂层20、21为了促进电极反应也需要H₂O的存在。为此，为了使运行中的燃料电池的高分子电解质膜10和催化剂层20、21保持合适的含水状态，通常通过供给气体(燃料气体50、含氧气体51)进行水蒸气供给(加湿)。

由燃料气体50加湿供给的H₂O溶解于阳极层20中的电解质及高分子电解质膜10，随质子的转移向阴极侧转移。未被利用的H₂O的一部分作为水蒸气随废气排出到系统外，剩下的作为结露水从排水管(未图示)排出到系统外。还有，由含氧气体51加湿供给的H₂O也同样地溶解于催化剂层21中的电解质及高分子电解质膜10，未被利用的H₂O或随废气排出到系统外，或作为结露水从排水管(未图示)排出到系统外。另外，由阴极催化剂层21的电极反应生成的H₂O的一部分在高分子电解质膜10内逆扩散而转移至阳极侧被利用，剩下的通过阴极侧的碳纤维质集电层41，作为水蒸气或结露水排出至系统外。

如上所述，H₂O供给、H₂O产生及H₂O转移的结果是，阴极层21成为较富H₂O的状态。因此，必须以水蒸气压力差及H₂O浓度差为驱动力使阴极层21中的H₂O向碳纤维质集电层41侧转移，或以H₂O浓度差为驱动力使阴极层21中的H₂O向高分子电解质膜10侧转移，藉此来保持合适的量。

对于汽车等移动体，启动、行驶、停止等之间燃料电池的负荷变动频繁，因此希望搭载于该移动体的燃料电池能够在从低功率至高功率的较大范围的运行条件下利用。还有，搭载重量及容量的制约大，必须是小型轻量。而且，对气体供给装置(泵等)或加湿装置等附加装置也要求低能耗及轻量化。例如，来自气体供给装置的气体流量在空气利用率上一般为40～50％左右，但如果能够进一步提高空气利用率，则能够实现气体供给装置的低能耗化及轻量化。另外，为了实现加湿装置的低能耗化或轻量化，最好是尽可能减小在燃料电池工作时所必需的向高分子电解质膜10的加湿量(低加湿运行、干式运行)。