[发明专利]气体扩散层和包括气体扩散层的膜电极组件以及再生膜电极组件的方法

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求于2012年3月2日提交的日本专利申请号JP 2012-046651的权益，该日本专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及可用作用于燃料电池的膜电极组件(MEA)的组成部分的气体扩散层(GDL)、包括此气体扩散层的膜电极组件，以及再生膜电极组件的方法。

背景技术

通常将支承于导电材料上的Pt催化剂或Pt合金催化剂用作聚合物电解质燃料电池(PEFC)的电极。具有大表面积的炭黑是最常用的支承催化剂的导电材料。然而，碳载体会由于长时间的操作和重复的操作/停止循环而腐蚀。当碳载体腐蚀时，Pt发生凝聚或溶解，因此可使得催化剂的活化降低。另外，如果用作氧化剂的空气中的水分或用于将MEA保持在润湿状态的水等所含的正离子和负离子渗入燃料电池，则存在聚合物电解质膜中磺酸根基团的离子交换减少并且催化剂的活化降低等，因此降低燃料电池的性能。

于2002年7月12日公布的日本未经审查专利申请公布No.2002-198059报告了一种聚合物电解质燃料电池，其包括聚合物电解质膜；夹持所述聚合物电解质膜的阳极和阴极；阳极侧导电隔板，其具有将燃料气体供给至阳极的气体流路；和阴极侧导电隔板，其具有将氧化剂气体供给至阴极的气体流路，其中所述阳极和阴极包括气体扩散层和催化剂层，并且所述气体扩散层包括离子捕集器。

于2006年7月13日公布的日本未经审查专利申请公布No.2006-185845报告了一种用于燃料电池的气体扩散层，其包括气体扩散基材层和碳层，其中所述气体扩散基材层和/或碳层包含重金属离子捕获剂。

于2008年7月31日公布的日本未经审查专利申请公布No.2008-177132报告了一种具有阴离子捕获层的燃料电池，所述阴离子捕获层包含通过与燃料气体或氧化剂气体流经的流路中的阴离子反应而生成微溶盐的材料。

于2009年2月26日公布的日本未经审查专利申请公布No.2009-043430报告了一种膜电极组件，其包括聚合物电解质膜和夹持所述聚合物电解质膜的一对电极，其中中间层设置在所述聚合物电解质膜与所述电极的至少一者之间，所述中间层包括离子导电材料并且在所述聚合物电解质膜与所述电极之间的界面处具有酸酰胺键。

发明内容

公开内容以引用方式并入本文中的美国专利申请公布No.2007/0082256(Debe等人)和No.2007/0082814(Debe等人)报告了支承针状纳米级催化剂粒子的针状微结构化晶须。这些专利文献还报告了通过将此类包含晶须的纳米结构元件直接嵌入聚合物电解质膜(PEM)而形成的电极催化层。

此催化剂称为纳米级薄膜(NSTF)催化剂，其不仅由于其形状而以较少量的催化材料表现出较高的催化活性，而且提供了从实质上解决碳载体腐蚀问题的方法。

然而，申请人已发现与其他常用常规催化剂相比，NSTF催化剂更容易受催化污染物或毒物影响。观察外部水中所含各种污染物的效应的申请人发现氯离子会在燃料电池工作期间降低NSTF催化剂的催化活性。氯离子常常存在于诸如自来水的环境中，是一种存在于水中的可能引入燃料电池内的污染物。另一方面，氯离子不会降低催化表面积大于NSTF催化剂的常规催化剂的催化活性。换句话讲，尽管不限于NSTF催化剂，但以小催化表面积表现出足够催化活性的高效催化剂(如NSTF催化剂)的特性受到较少量的污染物或毒物的显著影响。

因此，存在的问题是防止或抑制上述由申请人所发现的现象，即由于氯离子而导致的催化活性降低。

在一个方面，本发明提供一种膜电极组件，该膜电极组件包括电解质膜；电极催化层，该电极催化层包括具有承载针状纳米级催化剂粒子的针状微结构化载体晶须的纳米结构元件；和气体扩散层，该气体扩散层包含含有阴离子离子交换基团的含氮化合物。

在另一个方面，本发明提供一种包含具有阴离子离子交换基团的含氮化合物的气体扩散层，其中所述含氮化合物是交联的，从而被固定至所述气体扩散层。

在另一个方面，本发明提供一种再生膜电极组件的方法，所述膜电极组件包括：电解质膜；电极催化层，该电极催化层包括具有承载针状纳米级催化剂粒子的针状微结构化载体晶须的纳米结构元件；和气体扩散层，该气体扩散层包括具有阴离子离子交换基团的含氮化合物，所述方法包括使气体扩散层与碱性溶液接触。