專利名稱：燃料電池用電極及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以純氫、來(lái)自甲醇或化石燃料的改制氫，或直接利用甲醇、乙醇、二甲醚等液體燃料為燃料，以空氣或氧為氧化劑的燃料電池的電極。特別是使用固體高分子作為電解質(zhì)的燃料電池的電極。
背景技術(shù)：
高分子電解質(zhì)型燃料電池，是利用氣體擴(kuò)散電極，使氫等燃料氣體與空氣等氧化劑氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)生成電和熱的機(jī)構(gòu)，其中氣體擴(kuò)散電極具有帶鉑等催化劑的催化劑層。這樣的高分子電解質(zhì)型燃料電池的一般結(jié)構(gòu)如

圖1所示。
在圖1中，在選擇性地輸送氫離子的高分子電解質(zhì)膜1的兩面上，緊密配置以擔(dān)載有鉑族金屬催化劑的碳粉為主要成分的催化劑層2。在催化劑層2的外面，將一對(duì)兼具氣體透過性以及導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層3緊密配置在催化劑層上。利用該氣體擴(kuò)散層3和催化劑層2構(gòu)成電極4。在電極4的外側(cè)，配置機(jī)械固定由電極4和高分子電解質(zhì)膜1形成的電解質(zhì)膜-電極接合體(MEA)5同時(shí)使相鄰的MEA之間相互電串聯(lián)的導(dǎo)電性隔板6。導(dǎo)電性隔板6，在與電極4相接的面上，具有用于向電極提供反應(yīng)氣體同時(shí)將反應(yīng)產(chǎn)生的水和剩余的氣體輸出的氣體通道7。該氣體通道，雖然可以與隔板分開設(shè)計(jì)，但一般是在隔板的表面設(shè)計(jì)溝槽作為氣體通道。在圖示的例子中，組合具有向陽(yáng)極提供燃料氣體的氣體通道7a的隔板6a和具有向陰極提供氧化劑氣體的氣體通道7b的隔板6b形成冷卻水的通道8。9是配置在電極的周邊部的墊圈。
大多數(shù)燃料電池是制作成將上述那樣構(gòu)造的單電池重疊多個(gè)的積層構(gòu)造。在上述那樣的高分子電解質(zhì)型燃料電池積層體上，為了降低隔板等構(gòu)件電接觸的電阻，并且保持燃料氣體和氧化劑氣體等的密封性，必須將電池整體永久緊固。因此在將多個(gè)單電池向一個(gè)方向?qū)盈B的其兩端分別配置端板，并用緊固件將該兩端板相互固定，且施加緊固壓力。
這種高分子電解質(zhì)型燃料電池的電極上的氣體擴(kuò)散層主要具有以下三個(gè)功能。第一，是為了從氣體擴(kuò)散層的更外面形成的氣體通道向催化劑層中的催化劑均勻提供燃料氣體或者氧化劑氣體等反應(yīng)氣體而擴(kuò)散反應(yīng)氣體的功能。第二是將催化劑層上反應(yīng)生成的水迅速排到氣體通道的功能，第三是將反應(yīng)中必要的或生成的電子進(jìn)行導(dǎo)電的功能。因此，必須具有高的反應(yīng)氣體的透過性能、水蒸氣的透過性能以及電子導(dǎo)電性。作為傳統(tǒng)的一般技術(shù)，氣體透過能力是通過將氣體擴(kuò)散層設(shè)計(jì)為多孔質(zhì)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)的；水蒸氣透過能力是通過將以氟化樹脂為代表的防水性高分子等分散到層中實(shí)現(xiàn)的；電子導(dǎo)電性是通過利用碳纖維或金屬纖維、微細(xì)碳粉等電子導(dǎo)電性材料構(gòu)成氣體擴(kuò)散層而實(shí)現(xiàn)的。
為了提高上述氣體透過能力和水蒸氣透過能力、以及電子導(dǎo)電性的各種配合，顯示出各自相反的效果。例如，如果為了提高氣體透過能力而減小碳素纖維的直徑或減少填充量等而提高氣體擴(kuò)散層的氣孔率，則電子導(dǎo)電性下降。又，如果為了提高水蒸氣透過能力而添加防水性高分子，則氣體透過能力和電子導(dǎo)電性下降。因此，氣體擴(kuò)散層不是單一的構(gòu)成，而是設(shè)計(jì)成多種的配合，例如組合利用碳纖維形成的層與利用微細(xì)碳粉和防水性高分子形成的層，使上述相反的功能同時(shí)存在。但是關(guān)于上述防水性高分子作為氣體擴(kuò)散層所必須的各種特性，詳細(xì)規(guī)定的例子很少。
作為防水性高分子的使用方法，例如，作為最一般的代表例子，眾所周知的有，如特開平6-203851號(hào)公報(bào)等所述那樣將碳紙或碳布在聚四氟乙烯(以下用PTEF表示)的分散體中進(jìn)行浸漬處理的方法，和如特開平7-220734號(hào)公報(bào)等所述那樣形成添加了PTEF的微細(xì)碳粉層的方法。又，在形成添加了PTEF的微細(xì)碳粉層之后，為了更有效地發(fā)揮其防水能力并為了除去分散體中的界面活性劑，一般采用在防水材料的熔點(diǎn)以上及界面活性劑的沸點(diǎn)以上的溫度下進(jìn)行熱處理的方法。
但是，碳紙或碳布的表面存在碳纖維形成的針狀的凹凸，如果使碳紙或碳布與催化劑層直接接觸，則高分子電解質(zhì)膜上產(chǎn)生氣孔，從而導(dǎo)致內(nèi)部短路。因此，必須在碳紙或碳布與催化劑層之間形成防水層。而為了提高防水材料的防水效果而在防水劑的熔點(diǎn)以上的溫度下進(jìn)行了熱處理的電極，粘接力下降從而產(chǎn)生電極剝離的問題。結(jié)果，導(dǎo)致放電性能下降，或因安裝時(shí)的組裝性下降使工序數(shù)增加。
高分子電解質(zhì)型燃料電池的高分子電解質(zhì)膜，具有隨著含水率增加離子傳導(dǎo)性增大的物理性質(zhì)。因此，必須使高分子電解質(zhì)膜以及催化劑層中的高分子電解質(zhì)保持濕潤(rùn)狀態(tài)。但是，如果過度濕潤(rùn)，凝結(jié)水會(huì)堵塞氣體擴(kuò)散層的氣孔部和隔板的氣體通道，而氣體擴(kuò)散層的堵塞會(huì)使電池性能陷入極端惡化的液泛狀態(tài)。為了提供高性能的高分子電解質(zhì)型燃料電池，既要保持高分子電解質(zhì)的濕潤(rùn)狀態(tài)，又必須使過剩的水分安全且迅速地除去。
通常，因?yàn)橹灰揽侩姵剡\(yùn)行時(shí)的生成水難以保持合適的濕潤(rùn)狀態(tài)，所以，一般是采用某種加濕方法在向MEA提供反應(yīng)氣體的同時(shí)提供水分而加濕MEA，在減少加濕量的時(shí)候，存在輸出電壓顯著降低的問題。但是，加濕方法越簡(jiǎn)單，或者加濕量越少，越可進(jìn)行穩(wěn)定且安全的加濕和電池運(yùn)行，可提高燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
本發(fā)明，通過使氣體擴(kuò)散層中的防水材料最佳化而解決上述傳統(tǒng)的問題。
本發(fā)明，目的在于提供在制造工序中沒有電極剝離的問題且用于具有高放電性的燃料電池的電極。
發(fā)明介紹為了解決以上的問題，本發(fā)明的燃料電池用電極，由氣體擴(kuò)散層以及在其與高分子電解質(zhì)膜相接的面上形成的催化劑層構(gòu)成，其特征在于前述氣體擴(kuò)散層含有纖維化的防水材料。
本發(fā)明，還提供防水性導(dǎo)電性粒子分布在前述氣體擴(kuò)散層的實(shí)際整個(gè)區(qū)域的燃料電池用電極。
本發(fā)明提供一種燃料電池用電極的制造方法，是由氣體擴(kuò)散層以及在其與高分子電解質(zhì)膜相接的面上形成的催化劑層構(gòu)成的電極的制造方法，具有在氣體擴(kuò)散層中添加纖維化的防水材料且在前述防水材料的熔點(diǎn)以下的溫度下進(jìn)行熱處理的工序。
上述防水材料是分子量在100萬(wàn)以上的聚四氟乙烯，前述熱處理溫度最好為270～330℃。
圖面的簡(jiǎn)單說明圖1是一般的高分子電解質(zhì)型燃料電池的構(gòu)成斷面圖。
圖2是本發(fā)明的防水材料的模式簡(jiǎn)圖。
圖3是傳統(tǒng)的防水材料的模式簡(jiǎn)圖。
圖4是氫-空氣型燃料電池的電流-電壓特性的比較圖。
圖5是液體燃料電池的電流-電壓特性的比較圖。
圖6是實(shí)施例3的燃料電池與比較例5的燃料電池的電流-電壓特性圖。
圖7是實(shí)施例4的燃料電池電流-電壓特性圖。
圖8是實(shí)施例3的燃料電池與比較例6的燃料電池的電流-電壓特性圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳形式本發(fā)明的燃料電池用電極，特征是氣體擴(kuò)散層含有纖維化的防水材料。防水材料的防水性高分子因?yàn)橥ㄟ^纖維化而提高防水材料相對(duì)氣體擴(kuò)散層的粘接力，所以，電子導(dǎo)電性提高且水的滯留處減少，成為不易浸漬的電極，放電性能提高，且生產(chǎn)性也提高。
在此所用的防水性高分子，適合采用分子量大于100萬(wàn)的聚四氟乙烯(PTEF)。PTEF的熔點(diǎn)為327～347℃。PTEF是通常廣泛使用的防水材料，因?yàn)槭浅杀镜颓乙桌w維化的防水材料，所以易于得到可發(fā)揮高粘接力的電極。
對(duì)添加了防水材料的電極進(jìn)行熱處理時(shí)的溫度，是比防水材料的熔點(diǎn)低的溫度，最好是防水材料的纖維化部分不軟化燒損的溫度。合適的熱處理溫度是270～330℃。
圖2是用在本發(fā)明中的防水材料的一次粒子的模式圖。用在本發(fā)明的防水材料上的高分子，易于纖維化，形成纖維化為蜘蛛巢狀的部分12，且它覆蓋一次性粒子11。如果在進(jìn)一步制作電極時(shí)，利用電極用墨水的制作工序中的攪拌或墨水的涂抹工序中的墨水輸送通道的阻力等，在該粒子上施加剪切力，則可促進(jìn)纖維化，使纖維化的部分12增加。利用該纖維化部分12可提高電極的粘接力，結(jié)果，電極的放電性能提高，且可望減少制造工序中的工序數(shù)。
另一方面，傳統(tǒng)的防水性高分子，如圖3所示那樣，其粒子13的分子鏈短，因?yàn)椴痪哂凶銐虻姆肿恿浚?，即使施加剪切力也不怎么纖維化，纖維化部分不增加。又，如果在對(duì)這些防水材料以熔點(diǎn)以上的溫度進(jìn)行熱處理，因?yàn)橹┲氤矤畹睦w維化部分12軟化再凝聚，所以，蜘蛛巢狀的纖維化部分12減少。
通過采用本發(fā)明的氣體擴(kuò)散層，可制作高性能且廉價(jià)的燃料電池用電極。
本發(fā)明，另一個(gè)目的是提供即使少量加濕也不降低性能的高分子電解質(zhì)型燃料電池。
為實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明還提供防水性的導(dǎo)電性粒子分布在前述氣體擴(kuò)散層的實(shí)際整個(gè)區(qū)域的燃料電池用電極。
在此，構(gòu)成氣體擴(kuò)散層的多孔性電極基材，最好由碳紙、碳?xì)?、碳布等碳材料?gòu)成。
前述導(dǎo)電性粒子，最好是含有氟系樹脂(碳氟化合物樹脂)的碳粒子。氟系樹脂PTEF更好。
前述導(dǎo)電性粒子，不是通過涂抹在碳紙等多孔性電極基材的與催化劑層相接的一側(cè)上而偏置于電極基材的單側(cè)的表面附近，而是通過浸漬或壓入充填等分布在多孔性電極基材的整個(gè)區(qū)域。在大致整個(gè)區(qū)域上配置這樣的具有防水性的導(dǎo)電性粒子的多孔性電極基材上，在其與催化劑層接觸的一側(cè)的主面上，還可涂抹具有防水性的導(dǎo)電性粒子或與其類似的物質(zhì)形成涂層，也是有效的。
通過傳統(tǒng)那樣在多孔性電極基材上利用刀片涂抹或噴射涂抹將防水性的導(dǎo)電性粒子涂抹在電極基材的表面附近的形式制作的氣體擴(kuò)散電極，在對(duì)高分子電解質(zhì)型燃料電池的MEA進(jìn)行保濕方面不理想，在從電池外部進(jìn)行加濕地運(yùn)行電池時(shí)，當(dāng)減少加濕量的時(shí)候，單電池電壓顯著下降。
針對(duì)這樣的課題，本發(fā)明，為了實(shí)現(xiàn)更加合適的高分子電解質(zhì)的濕潤(rùn)狀態(tài)，是將具有防水性的導(dǎo)電性粒子分布到多孔性電極基材——?dú)怏w擴(kuò)散層的整個(gè)區(qū)域。這樣，可提供具有足夠的厚度且對(duì)高分子電解質(zhì)進(jìn)行保濕的性能優(yōu)良的兼具導(dǎo)電性和防水性的氣體擴(kuò)散電極。
針對(duì)低加濕化的目的，一般是預(yù)先利用氟化樹脂分散體等對(duì)多孔性電極基材進(jìn)行防水處理。但是，考察比較的結(jié)果，不僅本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極一方保濕能力更強(qiáng)而且制作工序也是本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極一方更簡(jiǎn)單。
本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極，即使只將其配置在陽(yáng)極或陰極的任何一方，也分別確認(rèn)了低加濕化的效果，但在兩極配置本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極的時(shí)候，顯示出最大的低加濕化的效果。
如上那樣，本發(fā)明提供的氣體擴(kuò)散電極，在保持電解質(zhì)為濕潤(rùn)狀態(tài)很重要的高分子電解質(zhì)型燃料電池上，即使是在來(lái)自電池外部的加濕少的狀態(tài)下，也可發(fā)出高的輸出電壓。
以下，說明本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1在乙炔炭黑(電氣化學(xué)工業(yè)(株)制造的デンカブラック中，以干燥重量30％的重量比混合PTEF的水性分散體(ダィキン工業(yè)(株)制造的D-1)調(diào)制防水層墨水。這時(shí)的混合，是利用膠體磨分散30分鐘來(lái)進(jìn)行的，利用它施加剪切力。將該防水層墨水涂在碳紙(東レ(株)的TGPH060H)的單面上，利用熱風(fēng)干燥機(jī)在280℃下熱處理20分鐘制作氣體擴(kuò)散層。
另一方面，在高分子電解質(zhì)膜(美國(guó)杜邦公司的Nafion112膜)的兩面上形成催化劑層。該催化劑層，是將在導(dǎo)電性微細(xì)碳粉(ラィォン(株)的ケッチェンブラックEC)中以1∶1的重量比例擔(dān)載鉑催化劑的物質(zhì)96份重量與高分子電解質(zhì)4份重量的混合物成型而成，其中的高分子電解質(zhì)與前述電解質(zhì)膜相同。使該高分子電解質(zhì)膜與催化劑層相接地重疊前述的氣體擴(kuò)散層，在160℃下熱熔敷而接合，從而制作電解質(zhì)膜-電極接合體(MEA)。利用該MEA制作氫-空氣型燃料單電池I。
比較例1在制作防水層墨水時(shí)，采用四氟乙烯-六氟丙烯共聚體的水性分散體(ダィキン工業(yè)工業(yè)(株)制造的D-1)代替PTEF的水性分散體，除此之外，與實(shí)施例1同樣制作氣體擴(kuò)散層。采用該氣體擴(kuò)散層與實(shí)施例1同樣制作MEA。該MEA，氣體擴(kuò)散層與催化劑層之間產(chǎn)生了剝離。采用該MEA組裝與實(shí)施例1同樣的單電池II。
比較例2將碳紙的單面上涂抹防水層墨水之后的熱處理溫度設(shè)計(jì)在350℃，除此之外，與實(shí)施例1同樣制作氣體擴(kuò)散層。采用該氣體擴(kuò)散層與實(shí)施例1同樣制作MEA。該MEA，氣體擴(kuò)散層與催化劑層之間產(chǎn)生了剝離。采用該MEA組裝與實(shí)施例1同樣的單電池III。
實(shí)施例2采用實(shí)施例1的MEA制作液體燃料電池。
比較例3采用比較例1的MEA制作液體燃料電池。
比較例4采用比較例2的MEA制作液體燃料電池。
分別向以上實(shí)施例1以及比較例1、2的燃料電池的陽(yáng)極提供加濕到露點(diǎn)為70℃的純氫氣、向陰極提供加濕到露點(diǎn)為50℃的空氣，將電池溫度設(shè)為75℃、燃料氣體利用率設(shè)為70％、空氣利用率設(shè)為40％，對(duì)燃料電池進(jìn)行了電池的放電試驗(yàn)。
又，以60℃的溫度向本發(fā)明的實(shí)施例2以及比較例3、4的電池的陽(yáng)極提供2mol/l的作為液體燃料的代表例的甲醇水溶液、向陰極提供加濕到露點(diǎn)為60℃的空氣，在電池溫度75℃、空氣利用率40％的條件下進(jìn)行了作為直接型甲醇燃料電池的單電池的放電試驗(yàn)。
圖4所示為實(shí)施例1、比較例1以及2的單電池I、II以及III的氫-空氣型燃料電池的放電特性的平均值。如果用電流密度為800mA/cm2的電池電壓表示，則單電池I、II以及III的電壓按順序分別是635mV、481mV以及529mV。如根據(jù)圖4所了解的那樣，電流密度越高，放電特性的差別越大。當(dāng)電流密度高時(shí)，因?yàn)殡姵氐纳伤杀壤卦龆啵?，電極的微妙的密接性受到影響。在電池的粘接性下降的部分，防水效果下降，由于水部分滯留，使氣體擴(kuò)散性下降。受到該影響的電極部分，發(fā)電減少，放電性能降低。又，因?yàn)槔梅浪牧系睦w維化可使電極緊密粘接，所以，可長(zhǎng)期保持高防水效果，結(jié)果是本發(fā)明的燃料電池的耐久性也高。
圖5所示為本發(fā)明的實(shí)施例2的單電池X與比較例3以及4的單電池Y以及Z的作為液體燃料電池的放電特性的平均值。如果用電流密度為300mA/cm2的單電池電壓表示，則單電池X、Y以及z的電壓分別是666mV、601mV以及620mV。
又，確認(rèn)在本發(fā)明的實(shí)施例以及比較例中制作的電極有無(wú)剝離的結(jié)果，是在實(shí)施例1中，50組電池單體制作中50組電池單體都沒有發(fā)生剝離。與此相對(duì)，在比較例1以及2中，在各50組電池單體中，比較例1在40組電池單體中發(fā)生了剝離，比較例2在50組電池單體中發(fā)生了剝離。該電極剝離的主要因素之一是，因?yàn)樵谌埸c(diǎn)以上的溫度下對(duì)防水材料纖維化的部分進(jìn)行了熱處理，由于軟化后再凝聚使纖維化的部分減少?gòu)亩拐辰恿ο陆?。另一個(gè)原因是，防水材料的分子量本來(lái)就小，不使其纖維化則粘接力弱，由于膜的水分變化引起的膨脹·收縮使形狀變化繼續(xù)發(fā)生，從而導(dǎo)致電極剝離。
實(shí)施例1、比較例2以及3的單電池I、II以及III的電流密度為200mA/cm2的電壓值標(biāo)準(zhǔn)離差，在標(biāo)準(zhǔn)偏差上單電池I是2.08，與之相對(duì)，單電池II是4.22、單電池III是5.17，因此產(chǎn)生了2倍以上的標(biāo)準(zhǔn)離差。該標(biāo)準(zhǔn)離差的主要起因是膜-電極接合體的粘接標(biāo)準(zhǔn)離差。單電池的防水層的粘接力的標(biāo)準(zhǔn)離差局部地產(chǎn)生防水性下降的空間，形成水的滯留處，這樣，表現(xiàn)成燃料電池的放電性能的標(biāo)準(zhǔn)離差。燃料電池通常是多個(gè)單電池串聯(lián)或并聯(lián)使用的。因此，單電池性能的標(biāo)準(zhǔn)離差會(huì)對(duì)燃料電池的性能產(chǎn)生很大的影響。特別是，在串聯(lián)的時(shí)候，特性最低的單電池的極限電流值就是燃料電池積層體整體的性能的極限電流值，因此，最低的單電池的性能成為燃料電池積層體(組)的性能的極限值。即，減小單電池的性能的標(biāo)準(zhǔn)離差也是今后的重要課題。因此，本發(fā)明的燃料電池用電極，利用防水材料的纖維化可實(shí)現(xiàn)緊密的粘接(結(jié)合)性也可減小單電池的放電性能的標(biāo)準(zhǔn)離差，結(jié)果是可提高燃料電池積層體的放電性能。
又，因?yàn)橥ㄟ^防水材料的纖維化可消除電極剝離，所以，可縮短積層體組裝工序中的層疊制作時(shí)間，降低制造成本。另外，在上述的實(shí)施例中，作為燃料的一例，雖然采用的是氫和甲醇，但不用說，即使氫是改制氫，是其中含有二氧化碳和氮、一氧化碳等不純物的燃料，也可得到同樣的結(jié)果；即使使用乙醇、二甲醚等液體燃料及其混合物代替甲醇，也可得到同樣的結(jié)果。又，液體燃料也可預(yù)先蒸發(fā)后提供。
氣體擴(kuò)散層的構(gòu)成，并不限于實(shí)施例所示的微細(xì)碳粉或碳紙，在使用其它的炭黑或碳布的時(shí)候也有效果。
實(shí)施例3首先，對(duì)催化劑層的制作方法進(jìn)行說明。將粒徑在數(shù)微米以下的碳粉末浸漬在氯鉑酸水溶液中，通過還原處理在碳粉末的表面上擔(dān)載鉑催化劑。碳與擔(dān)載的鉑的重量比為1∶1。然后，使擔(dān)載了鉑的碳粉末分散到高分子電解質(zhì)的酒精溶液中，并糊漿化。
將該含有擔(dān)載催化劑的碳粉末的糊漿涂抹在薄膜基材上，干燥形成催化劑層。將該催化劑層轉(zhuǎn)印到高分子電解質(zhì)膜上制作成帶催化劑層的高分子電解質(zhì)膜。催化劑層的大小，比后面結(jié)合的碳紙小，使碳紙的外周部超出催化劑層的外周部數(shù)mm。
接下來(lái)說明防水性碳層。在添加了界面活性劑的水中分散乙炔炭黑的顆粒粉末之后，加入聚四氟乙烯的水性分散體，利用膠體磨充分混合，調(diào)制防水性碳的糊漿。
將厚360μm的碳紙浸漬在防水性碳糊漿中，并保持其在容器減壓下進(jìn)行，使防水性碳糊漿浸含到碳紙的幾乎全部區(qū)域。將其取出干燥后在280℃下熱處理20分鐘。
將這樣浸漬了防水性碳的碳紙裁成既定的大小。在上述帶催化劑層的高分子電解質(zhì)膜的兩面上，完全覆蓋催化劑層地重合碳紙，使碳紙的周邊部對(duì)合墊圈，在100℃下壓制5分鐘，制作成MEA。
將上述那樣制作的高分子電解質(zhì)型燃料電池A進(jìn)行12小時(shí)的熟化運(yùn)行之后，評(píng)價(jià)了在2個(gè)不同的陰極側(cè)露點(diǎn)溫度的條件下的電流-電壓特性。按利用率為70％的流量向陽(yáng)極提供加濕到露點(diǎn)為70℃的氫，按利用率為40％的流量向陰極提供加濕了的空氣。
首先，在向陰極提供的空氣的露點(diǎn)(Tdc)為60℃的條件下測(cè)定了電流-電壓特性。之后，將向陰極提供的空氣的露點(diǎn)改變?yōu)?5℃，在經(jīng)過8小時(shí)的熟化運(yùn)行之后，再測(cè)定電流-電壓特性，將其作為空氣的露點(diǎn)為45℃時(shí)的電流-電壓特性。電池溫度保持在75℃。
比較例5構(gòu)成傳統(tǒng)的電池B，即，利用通過刀片涂抹將防水性碳層偏置在多孔性電極基材的與催化劑層相接的面上地涂抹的氣體擴(kuò)散電極，構(gòu)成與實(shí)施例3同樣的燃料電池B。
將實(shí)施例3的燃料電池A和比較例5的燃料電池B的電流-電壓特性示于圖6。從其結(jié)果知道，采用本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極的高分子電解質(zhì)型燃料電池即使在加濕量少的狀態(tài)下也可發(fā)出高的輸出電力。
實(shí)施例4將實(shí)施例3的氣體擴(kuò)散電極只配置在陽(yáng)極的電池a1以及只配置在陰極的電池a2的特性與在兩極配置的電池A進(jìn)行比較并示于圖7。從其結(jié)果知道，無(wú)論是只配置在陽(yáng)極的情況還是只配置在陰極的情況，都可提高在加濕量少的狀態(tài)下的輸出電壓。而且，將本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極配置在陽(yáng)極以及陰極兩方的時(shí)候，發(fā)揮出最大的低加濕化的效果。
比較例6
比較了本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極與在預(yù)先對(duì)電極基材進(jìn)行防水處理之后再涂抹導(dǎo)電性防水層的氣體擴(kuò)散電極。
對(duì)作為比較例的燃料電池的制作方法進(jìn)行說明。
將作為電極基材的厚360μm的碳紙?jiān)诜瘶渲乃苑稚Ⅲw中浸漬之后干燥。在該賦予了防水性的多孔性電極基材的一主要面上，涂抹實(shí)施例3中使用的防水性碳的糊漿之后，在280℃下熱處理20分鐘。接著將裁成既定大小的2張涂抹了上述防水性碳層的防水處理碳紙與實(shí)施例3同樣地重合到帶催化劑層的高分子電解質(zhì)膜的兩面上并使碳紙完全覆蓋催化劑層，再在周邊部對(duì)合墊圈之后，在100℃下壓制5分鐘，制成了MEA。
使用該MEA的電池C的與實(shí)施例3同樣的條件下的特性示于圖8。從其結(jié)果知道，在采用本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極的高分子電解質(zhì)型燃料電池A與采用在預(yù)先對(duì)電極基材進(jìn)行防水處理之后再涂抹導(dǎo)電性防水層的氣體擴(kuò)散電極的高分子電解質(zhì)型燃料電池C中，前者一方在加濕量少的條件下的輸出電壓高。即，采用本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極的電池一方可抑制隨著加濕量減少的性能的下降。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如果如上那樣利用本發(fā)明，則可提供這樣的高分子電解質(zhì)型燃料電池以及液體燃料電池用電極，即，該電極，可均勻地向催化劑層的催化劑提供反應(yīng)氣體，且可迅速排出生成水或生成二氧化碳，還可減少制造工序中的工序數(shù)，廉價(jià)地保持高放電性能和耐久性。
又，通過使防水性的導(dǎo)電性粒子分布到氣體擴(kuò)散層的整個(gè)區(qū)域，可得到對(duì)高分子電解質(zhì)保濕的性能優(yōu)良的氣體擴(kuò)散電極。通過采用該氣體擴(kuò)散電極，可提供能抑制加濕量少的狀態(tài)下的輸出降低的高分子電解質(zhì)型燃料電池。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1、(修正后)一種燃料電池用電極，是具有由氫離子傳導(dǎo)性的高分子電解質(zhì)膜以及夾住前述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極構(gòu)成的電解質(zhì)膜電極接合體的燃料電池用電極，前述電極由與高分子電解質(zhì)膜相接的催化劑層以及與前述催化劑層相接的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成，前述氣體擴(kuò)散層含有纖維化的防水材料，且在上述氣體擴(kuò)散層的與前述催化劑層相接的面上還具有防水性的導(dǎo)電性粒子層。
2、如權(quán)利要求1所述的燃料電池用電極，其特征在于上述防水材料是分子量在100萬(wàn)以上的聚四氟乙烯。
3、如權(quán)利要求1所述的燃料電池用電極，其特征在于并且，具有防水性的導(dǎo)電性粒子分布在前述氣體擴(kuò)散層的實(shí)際整個(gè)區(qū)域。
4、如權(quán)利要求3所述的燃料電池用電極，其特征在于前述導(dǎo)電性粒子是含有氟系樹脂的碳粒子。
5、(刪除)6、一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，具有如權(quán)利要求1所述的電極。
7、一種燃料電池用電極的制造方法，是由氣體擴(kuò)散層以及在其與高分子電解質(zhì)膜相接的面上形成的催化劑層構(gòu)成的燃料電池用電極的制造方法，其特征在于具有在氣體擴(kuò)散層中添加纖維化的防水材料且在前述防水材料的熔點(diǎn)以下的溫度下進(jìn)行熱處理的工序。
8、如權(quán)利要求7所述的燃料電池用電極的制造方法，前述防水材料是分子量在100萬(wàn)以上的聚四氟乙烯，且前述熱處理溫度為270～330℃。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用電極，是具有由氫離子傳導(dǎo)性的高分子電解質(zhì)膜以及夾住前述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極構(gòu)成的電解質(zhì)膜電極接合體的燃料電池用電極，前述電極由與高分子電解質(zhì)膜相接的催化劑層以及與前述催化劑層相接的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成，前述氣體擴(kuò)散層含有纖維化的防水材料。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池用電極，其特征在于上述防水材料是分子量在100萬(wàn)以上的聚四氟乙烯。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池用電極，其特征在于并且，具有防水性的導(dǎo)電性粒子分布在前述氣體擴(kuò)散層的實(shí)際整個(gè)區(qū)域。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池用電極，其特征在于前述導(dǎo)電性粒子是含有氟系樹脂的碳粒子。
5.如權(quán)利要求3所述的燃料電池用電極，其特征在于在前述氣體擴(kuò)散層的與催化劑層相接側(cè)的面上還具有防水性的導(dǎo)電性粒子層。
6.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，具有如權(quán)利要求1所述的電極。
7.一種燃料電池用電極的制造方法，是由氣體擴(kuò)散層以及在其與高分子電解質(zhì)膜相接的面上形成的催化劑層構(gòu)成的燃料電池用電極的制造方法，其特征在于具有在氣體擴(kuò)散層中添加纖維化的防水材料且在前述防水材料的熔點(diǎn)以下的溫度下進(jìn)行熱處理的工序。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池用電極的制造方法，前述防水材料是分子量在100萬(wàn)以上的聚四氟乙烯，且前述熱處理溫度為270～330℃。
全文摘要
本發(fā)明，通過使添加到氣體擴(kuò)散層中的防水材料最佳化而提供可防止制造工序中的電極剝離且以低成本而具有高放電性的燃料電池用電極。該電極，由氣體擴(kuò)散層以及在其與高分子電解質(zhì)膜相接的面上形成的催化劑層構(gòu)成，前述氣體擴(kuò)散層含有纖維化的防水材料，且在其熔點(diǎn)以下的溫度下進(jìn)行熱處理。
文檔編號(hào)H01M4/88GK1462489SQ02801415
公開日2003年12月17日 申請(qǐng)日期2002年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月27日
發(fā)明者酒井修, 新倉(cāng)順二, 神原輝壽, 山本雅夫, 吉田昭彥, 內(nèi)田誠(chéng), 安本榮一, 森田純司, 菅原靖 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社