專利名稱：燃料電池用氣體擴散層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池用氣體擴散層以及燃料電池用膜電極組件和基于此的燃料電池。
背景技術(shù)：
將聚合物電解質(zhì)燃料電池(“PEFC “)構(gòu)造為具有堆疊以發(fā)電的多個單元電池。各單元電池具有包括以下的膜電極組件(“MEA" ) :(1)聚合物電解質(zhì)膜(例如， Nafion(商標(biāo))膜)，(2)夾持所述聚合物電解質(zhì)膜的一對(陽極和陰極)催化劑層(有時稱為"電極催化劑層")，和C3)夾持所述一對(陽極和陰極)催化劑層用于擴散供給的氣體的一對氣體擴散層(“GDL")。將包含在各單元電池中的MEA經(jīng)由隔離膜電連接至相鄰的單元電池。因而燃料電池組由這些層壓和連接的單元電池構(gòu)成。然后燃料電池組可以起到適合于各種用途的發(fā)電裝置的功能。在此類燃料電池組中，如上所述，隔離膜提供使相鄰的單元電池彼此電連接的功能。另外，氣體通路通常設(shè)置在隔離膜面向MEA的表面上。氣體通路用作用于供給燃料氣體以及氧化劑氣體(oxidant gas)的氣體供給裝置。為簡要地描述PEFC的發(fā)電機理，在PEFC運行期間將燃料氣體(例如，氫氣)供給至單元電池的陽極側(cè)和將氧化劑氣體(例如，空氣或氧氣)供給至陰極側(cè)。結(jié)果，發(fā)生可在以下反應(yīng)式中描述的電化學(xué)反應(yīng)，從而分別在陽極和陰極上產(chǎn)生電流。(式1)陽極反應(yīng)H2— 2H++2e-…(1)陰極反應(yīng)2H++2e、(l/2)A— H2O- (2)因此，在燃料電池發(fā)電期間，在構(gòu)成燃料電池的各電池的陰極側(cè)產(chǎn)生水。將產(chǎn)生的水排出燃料電池之外而不是在陰極反應(yīng)中消耗。在較低的溫度環(huán)境如在冬季期間經(jīng)歷的環(huán)境中，在停止時燃料電池的溫度與適當(dāng)?shù)倪\行溫度相比可降低至極低。在燃料電池于低于冰點的低溫環(huán)境中運行的情況下，特別地，在電極催化劑層中產(chǎn)生的水會在將其排至外部之前凍結(jié)。作為產(chǎn)生的水凍結(jié)的結(jié)果，反應(yīng)氣體通路會被堵塞，從而發(fā)生燃料電池的發(fā)電性能劣化的問題。還會引起需要大量能量以升高燃料電池的溫度從而在短時間內(nèi)重新啟動燃料電池的問題。為了解決此類問題，專利文獻(xiàn)1公開了借助于使用吸水材料改進(jìn)氫電極反應(yīng)層 (陽極側(cè)催化劑層)的吸水容量的技術(shù)。據(jù)稱因為在該設(shè)計中滯留在空氣電極反應(yīng)層中的過量水可移動至陽極側(cè)并被吸收，所以可防止在低溫運行期間于空氣電極反應(yīng)層(陰極側(cè)催化劑層)的氣體通路內(nèi)凍結(jié)和即使在此類低溫環(huán)境中也可容易地啟動燃料電池系統(tǒng)。此外，專利文獻(xiàn)2公開了在空氣電極反應(yīng)層(陰極側(cè)催化劑層)和空氣擴散層(氣體擴散層)之間設(shè)置有具有比空氣電極反應(yīng)層的孔容積(porous capacity)更大的孔容積的大的水分散層的膜電極組件。根據(jù)該公開內(nèi)容，通過使滯留在空氣電極層的氣體通路中的水?dāng)U散至細(xì)孔內(nèi)可以防止在低溫運行期間于空氣電極反應(yīng)層的氣體通路內(nèi)凍結(jié)，因而使得可以在低溫環(huán)境中容易地啟動燃料電池系統(tǒng)。該文獻(xiàn)公開了可以使用具有孔徑為Inm至1 μ m的0. 3 μ 1/cm2以上的細(xì)孔作為此類水分散層的實施方案。另一方面，作為將活性炭用作氣體擴散層的實例，公開了設(shè)置在催化劑層的中間層中的包含能夠抑制自由基產(chǎn)生的活性炭的聚合物電解質(zhì)膜(專利文獻(xiàn)幻。專利文獻(xiàn)3 中描述的發(fā)明的特征在于，其在中間層中使用具有抑制和分解過氧化氫產(chǎn)生的能力的活性炭。換句話說，據(jù)稱可以將作為副反應(yīng)產(chǎn)生的過氧化氫分解為水和氧氣，因而保證電池長期連續(xù)地穩(wěn)定運行(
40056]段)。[現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)1]日本專利申請公布2005-174765[專利文獻(xiàn)2]日本專利申請公布2005-174768[專利文獻(xiàn)3]日本專利申請公布2005-33996
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題然而，在專利文獻(xiàn)1和2公開的技術(shù)中，防止在低溫環(huán)境中于氣體通路內(nèi)預(yù)期的凍結(jié)是不充分的，這是因為吸水材料和水分散層中存在的孔的直徑?jīng)]有適當(dāng)?shù)乜刂啤＝Y(jié)果，對于使用此類吸水材料或水分散層的燃料電池仍然難以保證在低溫環(huán)境下的啟動能力(零下啟動性(below-freezing-point-start-up capability))。此外，專利文獻(xiàn)3描述的技術(shù)主要地基于在空氣電極(陰極)側(cè)上產(chǎn)生的過氧化氫的損害的考慮，并沒有考慮到與細(xì)孔直徑和細(xì)孔容積關(guān)聯(lián)的零下啟動性。另外，專利文獻(xiàn) 3中描述的組件在空氣電極側(cè)的中間層中具有活性炭(W061]段)。因此，本發(fā)明意欲提供在燃料電池中使用的氣體擴散層中進(jìn)一步改進(jìn)在低溫環(huán)境下的電池啟動能力(零下啟動性)的手段。用于解決問題的方案本發(fā)明人努力以解決上述問題。結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，其中即使在較低溫度環(huán)境下也防止凍結(jié)的微孔存在是防止在氣體通路內(nèi)水凍結(jié)的關(guān)鍵。換句話說，他們發(fā)現(xiàn)可以借助于增加氣體擴散層中微孔的孔容積而抑制在氣體通路內(nèi)水的凍結(jié)來改進(jìn)電池的零下啟動性。此類根據(jù)本發(fā)明的燃料電池用氣體擴散層具有微孔的孔容積為2. OX 10-4cm7cm2 以上。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，在低于冰點的低溫環(huán)境中，借助于在燃料電池中使用具有特定的微孔孔容積以上的氣體擴散層，可防止微孔內(nèi)吸收的水的凍結(jié)，然后可改進(jìn)電池的零下啟動性。


圖1為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的聚合物電解質(zhì)燃料電池(“PEFC“)的基本構(gòu)造的示意圖。圖2A為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的包含粒狀吸水材料和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。
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圖2B為示出根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的包含粒狀吸水材料和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。圖2C為示出根據(jù)本發(fā)明又一實施方案的包含粒狀吸水材料和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。圖2D為示出根據(jù)本發(fā)明再一實施方案的包含粒狀吸水材料的氣體擴散層的模式圖。圖3A為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的包含粒狀吸水材料和纖維狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。圖;3B為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的包含粒狀吸水材料、纖維狀導(dǎo)電性載體和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。圖4A為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的使用纖維狀吸水材料的氣體擴散層的模式圖。圖4B為示出根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的包含纖維狀吸水材料和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。圖5為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的包含基材層和微多孔材料的氣體擴散層的模式圖。圖6為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的裝配有燃料電池組的機動車的概念圖。圖7A為示出在實施例1-4以及比較例1和2中在用于評價目的而制備的單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，40mA/Cm2)之間關(guān)系的圖。圖7B為示出在實施例1-4以及比較例1和2中在用于評價目的而制備的單元電池中孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，40mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖8為示出在實施例5和比較例3中在用于評價目的而制備的單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，40mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖9為示出在實施例1-3以及比較例1和2中在用于評價目的而制備的單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，80mA/Cm2)之間關(guān)系的圖。圖10為示出在實施例5和比較例3中在用于評價目的而制備的單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，80mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖11為示出在實施例1-3以及比較例1和2中在用于評價目的而制備的單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，100mA/Cm2)之間關(guān)系的圖。圖12為示出在實施例5和比較例3中在用于評價目的而制備的單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，100mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖13為示出在實施例6-8中在用于評價目的而制備的單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，40mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖14為示出在實施例6-8中在用于評價目的而制備的單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，80mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖15為示出在實施例6-8中在用于評價目的而制備的單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，100mA/cm2)之間關(guān)系的圖。附圖標(biāo)記說明1聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)
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2固體聚合物電解質(zhì)膜3a陽極催化劑層3c陰極催化劑層4氣體擴散層4a陽極氣體擴散層4c陰極氣體擴散層5、200 隔離膜5a陽極隔離膜5c陰極隔離膜6a陽極氣體通路6c陰極氣體通路7制冷劑通路8a陽極氣體擴散電極8c陰極氣體擴散電極10膜電極組件(MEA)20微多孔層30基材層41吸水材料42粘結(jié)劑43a粒狀導(dǎo)電性載體(導(dǎo)電性載體顆粒)43b纖維狀導(dǎo)電性載體(導(dǎo)電性載體纖維)44微多孔膜45氣體擴散基材50微多孔層100燃料電池機動車101燃料電池組210氣體擴散基材220催化劑層
具體實施例方式(氣體擴散層)本發(fā)明的一個方面為微孔的孔容積為2. OX l(T4Cm7Cm2以上的燃料電池用氣體擴散層(下文中以及在一些情況下簡稱為“氣體擴散層”)。在現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池中，試圖借助于設(shè)置吸水材料和水分散層來防止在氣體通路內(nèi)水的凍結(jié)，但是沒有嘗試控制吸水材料和水分散層的孔徑。通常，細(xì)孔分級為微孔(孔徑2nm以下)、中孔(孔徑大于2nm且50nm以下)和大孔(孔徑大于50nm)。然而，包含在現(xiàn)有技術(shù)的氣體擴散層中的吸水材料和水分散層中存在包括微孔、中孔和大孔各種尺寸的孔。在仔細(xì)檢查與細(xì)孔直徑和細(xì)孔容積關(guān)聯(lián)的零下啟動性后，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)存在其中即使在較低的溫度環(huán)境下也防止凍結(jié)的微孔是防止在氣體通路內(nèi)水凍結(jié)的關(guān)鍵。例如，即使如在專利文獻(xiàn)2的情況中一樣水分散層中孔的孔容積高，如果存在大量中孔和大孔，即微孔的孔容積小，也會發(fā)生在氣體通路內(nèi)水的凍結(jié)。在上述專利文獻(xiàn)3中，雖然其中間層中設(shè)置活性炭，但沒有注意到應(yīng)通過特定的活性炭來實現(xiàn)的微孔的孔容積和防止低溫環(huán)境下在氣體通路內(nèi)水的凍結(jié)之間的關(guān)系。因此，存在仍然難以保證在低溫環(huán)境下的電池啟動能力(零下啟動性)的問題。相反，根據(jù)本發(fā)明的氣體擴散層具有特定量以上的微孔孔容積。此類微孔孔容積可通過任意方法實現(xiàn)。期望的孔容積優(yōu)選通過調(diào)制充分量的具有微孔(具有孔徑2nm以下)的吸水材料來達(dá)到。因此，存在增加量的即使在低于冰點特別在-20°C下也防止水的凍結(jié)的孔，以致即使在零下啟動中也可以維持長的發(fā)電持續(xù)時間。因而，在較低的溫度環(huán)境中自啟動變得可行，這使得電池更快地啟動。雖然不十分清楚為什么發(fā)電持續(xù)時間能夠通過具有如上所述微孔孔容積的氣體擴散層而在零下啟動運行中延長，但可推斷如下。本發(fā)明不應(yīng)認(rèn)為受限于以下推斷。在燃料電池位于低于冰點的低溫環(huán)境中的情況下，陰極催化劑層中產(chǎn)生的水在電解質(zhì)存在的區(qū)域即陰極或陽極催化劑層、電解質(zhì)膜等中被吸收。然而，如果水的量超過其容量，水溢流進(jìn)催化劑層的空孔中、凍結(jié)并堵塞反應(yīng)氣體的擴散通路，因而相應(yīng)地減少燃料電池的發(fā)電量。相反，如果如在本發(fā)明的情況中一樣在氣體擴散層中設(shè)置充分量的微孔，能夠維持在運行期間產(chǎn)生的水而不凍結(jié)，從而有效地被微孔吸收。因此，能夠抑制和防止在有助于前述反應(yīng)的地方中水的凍結(jié)，因而即使在低溫環(huán)境下也使得反應(yīng)氣體有效地擴散至催化劑層，提供充分的發(fā)電能力，使得電池能夠由低溫自啟動，并因而使其能夠快速啟動。除了上述益處之外，本發(fā)明還有助于燃料電池的成本降低，這是因為其清除了單獨安裝凍結(jié)防止裝置的必要性。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案參考附圖描述如下。以下實施方案不應(yīng)認(rèn)為限制了本發(fā)明。因為為了便于解釋而有意放大，因此附圖的尺寸比例可與實際組分的那些比例不同。圖1為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的聚合物電解質(zhì)燃料電池(“PEFC“)的基本構(gòu)造的示意圖。PEFC 1具有固體聚合物電解質(zhì)膜2和夾持所述聚合物電解質(zhì)膜的一對催化劑層(陽極催化劑層3a和陰極催化劑層3c)。固體聚合物電解質(zhì)膜2和催化劑層(3a和3c) 的層壓體由一對氣體擴散層(“GDL")(陽極氣體擴散層如和陰極氣體擴散層4c)進(jìn)一步夾持。相鄰的催化劑層(3a和3c)和氣體擴散層( 和4c)構(gòu)成氣體擴散電極(陽極氣體擴散電極8a和陰極氣體擴散電極Sc)。固體聚合物電解質(zhì)膜2和一對氣體擴散電極(8a 和8c)進(jìn)一步以層壓狀態(tài)構(gòu)成膜電極組件(“MEA" )10。在PEFC 1中，MEA 10進(jìn)一步由一對隔離膜(陽極隔離膜fe和陰極隔離膜5c)夾持。在圖1中，示出隔離膜( 和5c)位于MEAlO的兩端。然而，在其中多個MEA堆疊的燃料電池組中，隔離膜也典型地用作相鄰PEFC(未示出)的隔離膜。換句話說，MEA在燃料電池組中隔著隔離膜通過連續(xù)地層壓形成電池組。此外，在實際燃料電池組中，氣體密封部件設(shè)置在隔離膜(5a和5c)和固體聚合物電解質(zhì)膜2之間以及在PEFC 1和與其相鄰的其它 PEFC之間，但此類配置未示于圖1中。隔離膜( 和5c)通過例如以下來獲得將沖壓成型工藝應(yīng)用在厚度0. 5mm以下的薄板上，成型為如圖1所示的凹凸形狀。從MEA側(cè)觀察到的隔離膜( 和5c)的凸部與 MEA 10接觸。這提供與MEA 10的安全電連接。從MEA側(cè)觀察到的隔離膜( 和5c)的凹部(由于隔離膜的凹凸形狀產(chǎn)生的隔離膜和MEA之間的空間)用作在PEFC 1運行期間氣體通過用氣體通路。更具體地，使燃料氣體(例如，氫氣)流過陽極隔離膜如的氣體通路 6a,并使氧化劑氣體(例如，空氣)流過陰極隔離膜5c的氣體通路6c。另一方面，從MEA側(cè)的相對側(cè)觀察到的隔離膜(5a和5c)的凹部用作在PEFC 1運行期間使冷卻PEFC用制冷劑(例如，水)通過的制冷劑通路7。此外，將歧管(未示出)典型地設(shè)置在隔離膜中。當(dāng)形成組時，歧管用作連接各電池用連接裝置。在此類構(gòu)造下，確保燃料電池組的機械強度。在圖1所示的實施方案中，隔離膜( 和5c)成型為凹凸形狀。然而，不應(yīng)理解為隔離膜總是采取此類凹凸形狀，而是可以具有任何包括平板形狀或部分凹凸形狀的任意形狀，只要其可以提供氣體通路或制冷劑通路的功能即可。以下詳細(xì)描述本實施方案的氣體擴散層Ga和4c)。氣體擴散層(陽極氣體擴散層如和陰極氣體擴散層4c)具有促進(jìn)經(jīng)由隔離膜的氣體通路(6a和6c)供給的氣體(燃料氣體或氧化劑氣體)擴散至催化劑層(3a和3c)的功能，以及電子傳導(dǎo)通路的功能。本發(fā)明中的此類氣體擴散層的特征在于具有微孔的孔容積為2. OX 10_4cm7cm2以上。此類微孔的孔容積可通過任意方法達(dá)到。期望的微孔的孔容積優(yōu)選通過調(diào)制具有微孔 (具有孔徑2nm以下)的吸水材料來達(dá)到。換句話說，氣體擴散層優(yōu)選包含具有微孔的吸水材料。本發(fā)明中，“微孔"是指孔徑為2nm以下的細(xì)孔和"微孔的孔容積"是指氣體擴散層中存在的直徑為2nm以下的微孔的總?cè)莘e。如果氣體擴散層由多層組成，則"微孔的孔容積"是指構(gòu)成氣體擴散層的所有層中存在的微孔的總孔容積。例如，如果氣體擴散層由后述微多孔層和基材層構(gòu)成，則"微孔的孔容積"為微多孔層中微孔的孔容積和基材層中微孔的孔容積的總的孔容積。微孔的評價通過從使用氮吸附法基于MP法的吸附等溫線中計算微孔的孔容積來進(jìn)行。因此，微孔的孔徑的下限為通過氮吸附法可測量得到的下限，即 0. 42nm以上。此外，由于在氣體擴散層的制造工序期間可堵塞吸水材料中的微孔，所以在制造的氣體分散層中包含的微孔的孔容積需要通過前述方法測量。作為微孔的孔容積更具體的評價條件，測量通過使用BEL SORP-mini (購自BEL Japan, Inc.)在液氮溫度(吸附溫度-196°C或77K ；相對壓力范圍0. 99以下；被吸附物氮)下使用在真空下在300°C下預(yù)先處理的尺寸為5mmX5mm(多片)和總質(zhì)量為0. 2g的氣體擴散層的樣品試樣來進(jìn)行。氣體擴散層的總孔容積也由使用氮吸附法的孔分布的測量結(jié)果計算，和具體的評價條件與上述基于MP法的條件相同。通過配置氣體擴散層的微孔的孔容積在2.0X10_4Cm7Cm2以上，可以將在發(fā)電期間在陰極催化劑層中產(chǎn)生的水吸附進(jìn)微孔內(nèi)，因此可以有效地排除滯留在陰極催化劑層附近的過量的水。即使在冰點、尤其在-20°C下的溫度環(huán)境中也可以防止滯留在微孔中的水凍結(jié)。當(dāng)氣體擴散層的微孔的孔容積在此范圍內(nèi)時，發(fā)電持續(xù)時間增加并且即使在低溫環(huán)境中燃料電池也能夠快速啟動。由于通過發(fā)電過程產(chǎn)生的水的量與電流密度成比例增加， 所以優(yōu)選具有盡可能大的微孔的孔容積以處理過量的水。從此觀點，優(yōu)選微孔的孔容積 2. 6X 10-4cm7cm2以上，或更優(yōu)選3. 6 X 10_4cm3/cm2以上，或甚至更優(yōu)選5. 1 X lO—W/cm2以上。因此通過選擇該范圍的微孔的孔容積，即使當(dāng)在零下啟動中使用高電流密度時變得也可以延長發(fā)電持續(xù)時間。這使得可以達(dá)到在較低的溫度環(huán)境中的較高輸出。作為發(fā)電的結(jié)
8果產(chǎn)生的水的體積與電流密度成比例增加。因此，可以說氣體擴散層中微孔的孔容積越大越好，然而盡管不限制上限，但氣體擴散層中微孔的孔容積優(yōu)選5.0Xl(T3Cm7Cm2以下，或更優(yōu)選4. OX l(T3cm7cm2以下。如上所述，由于微孔的孔容積是改進(jìn)零下啟動性的關(guān)鍵，所以包含中孔和大孔的氣體擴散層的孔容積不特別限制，只要微孔的孔容積在上述范圍內(nèi)即可。如上所述，優(yōu)選2.0X10_4cm7cm2以上的氣體擴散層的微孔的孔容積通過在氣體擴散層中設(shè)置具有微孔(具有孔徑2nm以下)的吸水材料來達(dá)到。盡管關(guān)于此處可用的吸水材料沒有限制，只要其具有吸水能力和實現(xiàn)期望的微孔的孔容積即可，并可使用活性炭、 沸石、硅膠、氧化鋁等。在所有這些可選擇的材料之中，活性炭是最優(yōu)選的一個，因為其容易獲得，具有高微孔率，并且當(dāng)機動車在閑置時，因為活性炭提供優(yōu)異的水蒸氣排出能力，所以能夠縮短凈化時間。在本發(fā)明的情況下，只要期望的微孔的孔容積可達(dá)到，活性炭的材料和/或活化方法不限制。例如，活性炭可通過以下來獲得使植物類原料如木材、鋸屑、椰子殼和紙漿，或礦物類原料如煤、石油、焦炭、浙青和酚醛樹脂碳化，并通過水蒸汽或化學(xué)藥品進(jìn)一步活化。盡管吸水材料的形狀不限制，但優(yōu)選為粒狀或纖維狀。如果吸水材料為粒狀，則顆粒的形狀不限于任何具體的形狀，而是它們可為粉末狀、球狀、棒狀、針狀、板狀、柱狀、不規(guī)則形狀、鱗片狀、紡錘狀等。此外，吸水材料的粒徑不限制，但優(yōu)選為0. 1-10 μ m，或更優(yōu)選為0. 2-7 μ m，或甚至更優(yōu)選為0. 3-5 μ m。如果顆粒的尺寸保持在此范圍內(nèi)，導(dǎo)致氣體和水在顆粒之間的間隙(空孔)內(nèi)更好的擴散，并且還導(dǎo)致與催化劑層更好的接觸。此處將" 粒徑"定義為是指在顆粒的輪廓線上任選的任何兩個點之間的最大距離。此外，“平均粒徑"的值認(rèn)為是作為當(dāng)顆粒使用掃描電子顯微鏡(SEM)或透射型電子顯微鏡(TEM)觀察時在幾個至幾十個視野中出現(xiàn)的顆粒的粒徑的平均值計算的值。此外，如果吸水材料為纖維狀，纖維直徑(尺寸)不特別限制。其可考慮到在碳纖維之間形成的間隙(空孔)中的氣體和水的擴散特性和它們的機械強度而任意選擇。圖2A-圖2D以及圖3A和圖為示出根據(jù)本發(fā)明各種實施方案的使用粒狀吸水材料的氣體擴散層的模式圖。圖4A和圖4B為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的使用纖維狀吸水材料的氣體擴散層的模式圖。包含各種吸水材料的氣體擴散層的構(gòu)造參考這些附圖描述如下。在一些實施方案中，氣體擴散層進(jìn)一步包含導(dǎo)電性載體，其中吸水材料負(fù)載于導(dǎo)電性載體上。通過具有導(dǎo)電性載體，可顯著地減少與相鄰構(gòu)件的接觸電阻，因而改進(jìn)電極的導(dǎo)電性。盡管不指定導(dǎo)電性載體的形狀，但優(yōu)選它們?yōu)榱罨蚶w維狀。更具體地，在氣體擴散層包含吸水材料和負(fù)載所述吸水材料的粒狀導(dǎo)電性載體的情況下，優(yōu)選氣體擴散層包含由在粒狀導(dǎo)電性載體上負(fù)載的所述吸水材料構(gòu)成的微多孔層。又在一個更優(yōu)選的構(gòu)造中， 前述模型中的氣體擴散層由層壓在包含氣體擴散基材的基材層上的所述微多孔層構(gòu)成。此外，在氣體擴散層包含吸水材料和負(fù)載所述吸水材料的纖維狀導(dǎo)電性載體的情況下，優(yōu)選氣體擴散層包含由在纖維狀導(dǎo)電性載體構(gòu)成的氣體擴散基材上負(fù)載的所述吸水材料構(gòu)成的基材層。又在一個更優(yōu)選的構(gòu)造中，前述模型中的氣體擴散層由包含層壓在所述基材層上的粒狀導(dǎo)電性載體的微多孔層構(gòu)成。圖2A為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的包含粒狀吸水材料和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體
9擴散層的模式圖。在示于圖2A的實施方案中，氣體擴散層4具有吸水材料41、粘結(jié)劑42、 粒狀電極載體(下文中也稱為"導(dǎo)電性載體顆粒")43a和微多孔膜44。這些粒狀吸水材料41、粘結(jié)劑42、導(dǎo)電性載體顆粒43a和微多孔膜44組成微多孔層(“MPL" )20。換句話說，根據(jù)本實施方案的氣體擴散層具有包含吸水材料41和粘結(jié)劑42的微多孔層20。更具體地，吸水材料41負(fù)載于導(dǎo)電性載體顆粒43a上。吸水材料41和導(dǎo)電性載體顆粒43a通過粘結(jié)劑42接合并保持于由微多孔膜44形成的片狀微多孔材料骨架上。在此類片狀微多孔層的情況下，與如圖2B或圖2D中所示的通過濕式或干式涂布法生產(chǎn)的常規(guī)微多孔層相比改進(jìn)層厚度波動，因而使其大批量生產(chǎn)。此外，由于片型微多孔層具有更好的撓性，所以在后述氣體擴散層包含微多孔層和基材層的構(gòu)造中可減緩由在氣體擴散基材中包含的纖維對膜的攻擊(attack)(插刺(thrusting))。盡管構(gòu)成微多孔層的構(gòu)件使用本實施方案的微多孔層作為實例描述如下，但本發(fā)明不應(yīng)認(rèn)為受限于下述構(gòu)造。在微多孔層中包含的吸水材料的物質(zhì)和形狀如上所述。包含在微多孔層中的吸水材料的量可任意調(diào)節(jié)以使得氣體擴散層的微孔的孔容積在期望的范圍內(nèi)和確保充分的機械強度。微孔的孔容積和強度依賴于吸水材料的類型(物質(zhì))和負(fù)載量，因此通過調(diào)節(jié)吸水材料的類型、負(fù)載量和含量可獲得期望的孔容積和機械強度的微多孔層。因此，如果通過以相對于微多孔層的總質(zhì)量為10質(zhì)量％的比例使用吸水材料形成的厚度為30 μ m的微多孔層的微孔的孔容積為8. OX 10_5cm7cm2，則具有微孔的孔容積2. 0 X 10_4cm7cm2以上的微多孔層可通過使相同組成的微多孔層的厚度75 μ m以上而形成。更具體地，吸水材料的含量相對于微多孔層的總質(zhì)量優(yōu)選為10-80質(zhì)量％。如果吸水材料的含量10質(zhì)量％以上，可實現(xiàn)氣體擴散層(GDL)所期望的微孔孔容積而不增加微多孔層(MPL)的厚度。這使得可以減少沿厚度方向電阻的增加和減輕在常溫下性能的劣化。另一方面，如果吸水材料的含量 80質(zhì)量％以下，則微多孔層(MPL)可更容易地形成并且其加工將更容易。如果吸水材料的含量在上述范圍內(nèi)，則可更容易地確保期望的微孔的孔容積并可改進(jìn)電池的零下啟動性。盡管對于粒狀導(dǎo)電性載體沒有施加具體限制，只要其提供導(dǎo)電性即可，但應(yīng)優(yōu)選在正或負(fù)電位下為化學(xué)穩(wěn)定的并應(yīng)優(yōu)選為由碳或金屬材料制成。它們中，碳顆粒用作優(yōu)選的粒狀導(dǎo)電性載體。作為構(gòu)成此類碳顆粒的碳，可任意使用任何公知的材料如炭黑、石墨和膨脹石墨。它們中，炭黑如油料爐黑、槽法炭黑、燈黑、熱裂炭黑、乙炔黑是有利的，這是由于它們優(yōu)異的導(dǎo)電性和大的比表面積。購自市場中的此類碳顆粒包括油料爐黑如由 Cabot Corporation 提供的 Vulcan XC-72、Vulcan P、Black Pearls 880、Black Pearls 1100、Black Pearls 1300、Black Pearls 2000 禾口 Legal 400，由 Lion Corporation 提供的 Ketchen Black EC，由 Mitsubishi Chemical Corporation 提供的 #3150 和 #3250 ；乙炔黑如由Denki Kagaku Kogyo, K. K.提供的Denka Black和其它等等。除了炭黑之外，可使用天然石墨、浙青、焦炭和得自有機化合物如聚丙烯腈、酚醛樹脂和呋喃樹脂等的人造石墨或碳用于相同目的。對所述碳顆粒施加加工處理如石墨化處理以改進(jìn)耐腐蝕性也是可接受的。所述導(dǎo)電性載體顆粒的粒徑應(yīng)優(yōu)選為0. 2-5 μ m或更優(yōu)選0. 3-1 μ m。如果導(dǎo)電性載體顆粒的粒徑5 μ m以下，則表面變得更平滑，因而有助于減輕接觸電阻。如果其0. 2 μ m 以上，則其能夠防止由于微多孔層的孔隙率的降低而引起的氣體擴散性的降低。導(dǎo)電性載體顆粒的形狀不限于任何具體形狀，而他們可為球狀、棒狀、針狀、板狀、柱狀、不規(guī)則形狀、鱗片狀、紡錘狀等。“導(dǎo)電性載體顆粒的粒徑"此處是指導(dǎo)電性載體顆粒的平均二次粒徑。 導(dǎo)電性載體顆粒的平均二次粒徑的方法通過計算當(dāng)顆粒使用掃描電子顯微鏡(SEM)或透射型電子顯微鏡(TEM)觀察時在幾個至幾十個視野中出現(xiàn)的顆粒的粒徑的平均值來進(jìn)行。盡管導(dǎo)電性載體顆粒在微多孔層中的配置不特別限制，但優(yōu)選將水和氣體擴散通路(空隙)形成為沿厚度方向貫通微多孔層。這提供水從氣體擴散基材中確實排出的手段 (means)。微多孔層中水和氣體擴散通路(空隙)不限于具體形狀，只要將它們形成為貫通微多孔層即可，任何圖案如直線狀、網(wǎng)狀是可接受的。在微多孔層內(nèi)導(dǎo)電性載體顆粒之間形成的孔尺寸(平均孔徑(average porosity diameter))應(yīng)優(yōu)選為10 μ m以下，或更優(yōu)選為 0. 1-10 μ m。將微多孔層的平均孔徑限定為10 μ m以下使得其可在催化劑層的平均孔徑和氣體擴散基材的平均孔徑之間，以致變得更容易排出水和更確保提供氣體擴散通路。可任意調(diào)節(jié)導(dǎo)電性載體顆粒在微多孔層中的含量以實現(xiàn)優(yōu)選的微多孔層的多孔結(jié)構(gòu)和機械強度。更具體地，如果微多孔層包含任何吸水材料，則導(dǎo)電性載體顆粒的含量應(yīng)優(yōu)選為微多孔層總質(zhì)量的0-60質(zhì)量％，或更優(yōu)選為5-55質(zhì)量％。在增強防水能力以防止?jié)B水現(xiàn)象等的目的下，微多孔層應(yīng)優(yōu)選包含防水劑。此處可使用的防水劑包括但不限于，氟聚合物材料如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯 (PVdF)、聚六氟丙烯和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)，以及熱塑性樹脂如聚乙烯和聚丙火布。在微多孔層包含導(dǎo)電性載體顆粒和防水劑的情況下，考慮到防水特性和導(dǎo)電性之間的平衡，微多孔層中導(dǎo)電性載體顆粒和防水劑之間的混合比以質(zhì)量比計應(yīng)為大約95 5 至40 60 (導(dǎo)電性載體顆粒防水劑)。在微多孔層中吸水材料和/或?qū)щ娦暂d體顆?？赏ㄟ^粘結(jié)劑結(jié)合。此處可使用的粘結(jié)劑包括氟聚合物材料如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚六氟丙烯和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)，熱固性樹脂如酚醛樹脂、三聚氰胺樹脂和聚酰胺樹脂，以及熱塑性樹脂如聚乙烯和聚丙烯。上述防水劑和粘結(jié)劑彼此部分地重復(fù)。因此，還優(yōu)選使用具有防水特性的粘結(jié)劑。它們中，氟聚合物此處是有利的，這是因為他們在電極反應(yīng)中具有優(yōu)異的防水特性和防腐蝕性，并且考慮到在微多孔層制造期間對于吸附材料的微孔的堵塞的防止效果，聚四氟乙烯(PTFE)是特別適合的。具有防水特性的粘結(jié)劑的使用，增加了在微多孔層內(nèi)的細(xì)孔(吸水材料和導(dǎo)電性載體顆粒之間)的防水特性并改進(jìn)排水能力。這些粘結(jié)劑可單獨使用或以兩種以上組合使用。此外，也可使用其它種類的聚合物?？扇我庹{(diào)節(jié)微多孔層中粘結(jié)劑的含量以達(dá)到優(yōu)選的微多孔層的多孔結(jié)構(gòu)。更具體地，粘結(jié)劑的含量應(yīng)優(yōu)選為微多孔層總質(zhì)量的5-60質(zhì)量％，更優(yōu)選為10-50質(zhì)量％，或甚至更優(yōu)選12-40質(zhì)量％。如果粘結(jié)劑的含量5質(zhì)量％以上，則能在顆粒中達(dá)到良好的結(jié)合，而如果其60質(zhì)量％以下，則可防止微多孔層電阻的增加?？墒褂萌魏挝⒍嗫啄ぃ灰渚哂衅瑺钗⒍嗫捉Y(jié)構(gòu)即可。具體地，可拉伸的聚四氟乙烯(ePTFE)是適合使用的。ePTFE的結(jié)構(gòu)為PTFE纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(微多孔結(jié)構(gòu))，這借助于PTFE的雙軸拉伸制造。高強度、撓性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性是ePTFE的固有特性，并且其多孔結(jié)構(gòu)、強度和厚度可調(diào)節(jié)在期望的范圍內(nèi)。如果使用聚四氟乙烯(PTFE)作為粘結(jié)劑，則PTFE纖維和PTFE中包含的氟鏈之間發(fā)生更好的相互作用。通過使用此類ePTFE， 可達(dá)到具有優(yōu)異的機械強度和撓性的微多孔層。制造此類ePTFE的方法公開在美國專利3，953，566、美國專利6，613，203或美國專利5，814，405中，因此可使用根據(jù)在這些文獻(xiàn)中的方法制造的ePTFE。盡管微多孔層中微多孔膜的含量不特別限定，但其應(yīng)優(yōu)選為微多孔層總質(zhì)量的 0. 1-50質(zhì)量％，或更優(yōu)選為1-40質(zhì)量％。如果其保持在此范圍內(nèi)，可獲得具有優(yōu)異撓性和機械強度的片狀微多孔層。盡管微多孔層的厚度考慮到所得氣體擴散層的特性可任意確定，但應(yīng)優(yōu)選為 3-500 μ m,更優(yōu)選5-300 μ m,或還更優(yōu)選10-150 μ m,或最優(yōu)選20-100 μ m。如果其保持在此范圍內(nèi)，可達(dá)到機械強度和氣體與水的滲透性之間的適當(dāng)?shù)钠胶?。在示于圖2A的實施方案中，盡管微多孔層包含吸水材料、導(dǎo)電性載體顆粒、粘結(jié)劑和微多孔膜，以及微多孔層，但也優(yōu)選使用不包含微多孔膜的微多孔層。圖2B為示出根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的包含粒狀吸水材料和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。在示于圖2B的實施方案中，氣體擴散層4除了吸水材料41之外還包含導(dǎo)電性載體顆粒43a， 并且吸水材料41負(fù)載于導(dǎo)電性載體顆粒43a上。吸水材料41和導(dǎo)電性載體顆粒43a通過粘結(jié)劑42結(jié)合以形成包含吸水材料41、粘結(jié)劑42和導(dǎo)電性載體顆粒43a的微多孔層20。 在此類構(gòu)造中，不僅改進(jìn)微多孔層的導(dǎo)電性，而且，因為粒狀吸水材料和粒狀導(dǎo)電性載體形成用作反應(yīng)氣體和水的擴散通路的微細(xì)的空腔結(jié)構(gòu)，也改進(jìn)氣體和水?dāng)U散特性。微多孔層可僅配置有粒狀吸水材料和粘結(jié)劑，或者如果需要，也可以配置有微多孔膜，但是不包含導(dǎo)電性載體顆粒。圖2C為示出根據(jù)本發(fā)明又一實施方案的包含粒狀吸水材料和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。在示于圖2C的實施方案中，氣體擴散層4 具有片狀微多孔層20。在本實施方案中，吸水材料41和粘結(jié)劑42保持在具有微細(xì)連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)(框架)的微多孔膜44中。吸水材料41、粘結(jié)劑42和微多孔膜44形成微多孔層 20。在此情況下，與圖2D中所示的通過濕式或干式涂布法生產(chǎn)的常規(guī)微多孔層相比可改進(jìn)層厚度波動，因而使其大批量生產(chǎn)。圖2D為示出根據(jù)本發(fā)明又一實施方案的包含粒狀吸水材料的氣體擴散層的模式圖。在示于圖2D的實施方案中，氣體擴散層4具有通過粘結(jié)劑42結(jié)合的粒狀吸水材料41。 在本實施方案中，粒狀吸水材料41和粘結(jié)劑42聚集形成微多孔層20。換句話說，根據(jù)本實施方案的氣體擴散層具有包含吸水材料41和粘結(jié)劑42的微多孔層20。在此情況下，可以增加在氣體擴散層內(nèi)微孔的孔容積，因此能夠不僅充分地吸收由發(fā)電過程產(chǎn)生的水，而且防止在低溫環(huán)境下水的凍結(jié)。在示于圖2B-圖2D的實施方案中，省略構(gòu)成微多孔層的構(gòu)件的描述以避免重復(fù)。 盡管在示于圖2A-圖2D的實施方案中氣體擴散層包含粘結(jié)劑，但本發(fā)明不限于包含粘結(jié)劑的構(gòu)造，而是可具有其中不包含粘結(jié)劑的不同構(gòu)造，只要確保氣體擴散層的機械強度即可。此外，前述微多孔層可作為氣體擴散層原樣使用，或可通過將其層壓在包含氣體擴散基材的基材層來使用以形成氣體擴散層。氣體擴散基材不限于具體構(gòu)造，可采取各種其他構(gòu)造如織物、紙類造紙材料、氈、無紡布等。更優(yōu)選類型的構(gòu)造為使用由碳纖維如復(fù)寫紙、碳布和碳無紡布形成的氣體擴散基材。所述氣體擴散基材可選自市場上可得的產(chǎn)品例如，購自Toray Industries, Inc. 的Cabon Paper TGP Series或購自E-TEK的Cabon Cloth。此外，在增強防水能力以防止?jié)B水現(xiàn)象等的目的下氣體擴散基材應(yīng)優(yōu)選包含防水劑。防水劑不限于任何具體產(chǎn)品，用于微多孔層的防水劑也能夠用于該目的。防水劑添加至基材層的量不限于任何具體量，并可任意調(diào)節(jié)，只要其能夠充分地覆蓋氣體擴散基材(導(dǎo)電性載體纖維)的表面即可。更具體地，考慮到防水特性和導(dǎo)電性之間的平衡，氣體擴散基材(導(dǎo)電性載體纖維)和防水劑之間的混合比以質(zhì)量比(導(dǎo)電性載體纖維防水材料)計應(yīng)優(yōu)選為約99 1至50 50，更優(yōu)選95 5 至 60 40。依賴于膜電極組件的排水特性和隔離膜的表面性質(zhì)，優(yōu)選使用沒有防水處理的氣體擴散基材或?qū)嵤┯H水處理的氣體擴散基材。在本構(gòu)造中，基材層能夠僅由前述氣體擴散基材構(gòu)成或多孔金屬可用作氣體擴散基材和基材層二者。多孔金屬可為作為基材層材料已知的任何那些，例如，鐵、鈦、鋁、銅或它們的合金；不銹鋼；貴金屬如金和銀等。此外，關(guān)于多孔金屬的孔徑?jīng)]有限制?？紤]到氣體擴散層的特性可任意確定基材層的厚度，但應(yīng)為大約30-500 μ m。如果其保持在該范圍內(nèi)，可達(dá)到機械強度和氣體與水的滲透性之間的適當(dāng)平衡。在其它實施方案中，氣體擴散層進(jìn)一步包含纖維狀導(dǎo)電性載體，以及吸水材料負(fù)載于纖維狀導(dǎo)電性載體(下文中也稱為"導(dǎo)電性載體纖維")上。圖3A為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的包含粒狀吸水材料和纖維狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。在示于圖3A 的實施方案中，氣體擴散層4進(jìn)一步包含導(dǎo)電性載體纖維43b，以及吸水材料41負(fù)載于導(dǎo)電性載體纖維4 上。導(dǎo)電性載體纖維4 形成氣體擴散基材45，以及氣體擴散基材45和吸水材料41形成基材層30。換句話說，本實施方案具有基材層30，其中吸水材料41負(fù)載于由導(dǎo)電性載體纖維4 構(gòu)成的氣體擴散基材45上。在該構(gòu)造中，改進(jìn)氣體擴散層的機械強度，這是因為其由導(dǎo)電性載體纖維構(gòu)成。盡管構(gòu)成基材層的構(gòu)件使用本實施方案的基材層作為實例描述如下，但本發(fā)明不應(yīng)認(rèn)為受限于下述構(gòu)造?；膶又邪奈牧系奈镔|(zhì)和形狀如上所述。在吸水材料包含在基材層中的情況下，當(dāng)吸水材料為纖維狀時，吸水材料的含量應(yīng)優(yōu)選為基材層總質(zhì)量的10-100質(zhì)量％。如果吸水材料的含量在前述范圍內(nèi)，則可更容易地確保期望的微孔的孔容積，并且可改進(jìn)電池的零下啟動性。在使用纖維狀吸水材料的情況下，吸水材料的含量應(yīng)優(yōu)選為基材層總質(zhì)量的10-50質(zhì)量％。如果其保持在該范圍內(nèi)，對于基材層將確保優(yōu)選的基材的機械強度和優(yōu)選的微孔的孔容積。纖維狀導(dǎo)電性載體形成氣體擴散基材，和該氣體擴散基材構(gòu)成基材層。對于此類纖維狀導(dǎo)電性載體，優(yōu)選但不限于使用選自由碳纖維、金屬纖維和有機纖維組成的組的材料。此處可應(yīng)用的碳纖維包括聚丙烯腈(PAN)類碳纖維、浙青類碳纖維、酚醛類碳纖維和氣相生長碳纖維。由于碳纖維具有優(yōu)異的比強度(specific strength)和比彈性系數(shù) (specific coefficient of elasticity)，所以可基于它們的使用而獲得具有優(yōu)異的彈性和強度的氣體擴散基材。更優(yōu)選廣泛用于工業(yè)應(yīng)用的PAN類碳纖維或浙青類碳纖維的應(yīng)用。PAN類碳纖維此處是指由主要由PAN構(gòu)成的合成纖維制成的纖維的類型，而浙青類碳纖維是指由石油、焦炭、合成浙青等制成的纖維的類型。盡管碳纖維的纖維直徑不具體地限制，但應(yīng)優(yōu)選為5-20μπι。此處可應(yīng)用的金屬纖維包括由鐵、鈦、鋁和銅以及它們的合金； 不銹鋼；和貴金屬如金和銀制成的纖維。金屬纖維通常具有更好的導(dǎo)電性。從機械強度、更廣的可用性、成本、加工容易性和高導(dǎo)電性的方面，由不銹鋼、鋁和鋁合金制成的纖維在所有中是最合適的。盡管金屬纖維的直徑不特別限制，應(yīng)優(yōu)選為1-100 μ m，更優(yōu)選5-50 μ m，或者甚至更優(yōu)選5-20 μ m。有機纖維此處是指具有導(dǎo)電性的樹脂纖維，例如，酚醛類樹脂纖維、聚丙烯腈纖維、聚對苯二甲酸乙二酯纖維、聚對苯二甲酸丁二醇酯等?？紤]到能夠進(jìn)一步確保具有導(dǎo)電性，優(yōu)選其多孔材料層包含酚醛類樹脂纖維。盡管酚醛纖維的直徑不特別限制，但應(yīng)優(yōu)選為5-50 μ m,或更優(yōu)選10-30 μ m。通過導(dǎo)電性載體纖維形成的氣體擴散基材的構(gòu)造不特別限制，其可由織物、紙類造紙材料、氈、無紡布等配置。更優(yōu)選類型的構(gòu)造為使用由碳纖維如復(fù)寫紙、碳布和碳無紡布形成的氣體擴散基材。所述氣體擴散基材可選自從市場上可得的產(chǎn)品例如，購自Toray Industries, Inc.的 Cabon Paper TGP Series 或購自 E-TEK 的 Cabon Cloth。在增強防水能力以防止?jié)B水現(xiàn)象等的目的下氣體擴散基材應(yīng)優(yōu)選包含防水劑。防水劑不限于任何具體產(chǎn)品，用于微多孔層的防水劑也能夠用于該目的。防水劑添加至基材層的量不限于任何具體量，并可任意調(diào)節(jié)，只要其能夠充分地覆蓋氣體擴散基材(導(dǎo)電性載體纖維)的表面即可。更具體地，考慮到防水特性和導(dǎo)電性之間的平衡，氣體擴散基材(導(dǎo)電性載體纖維)和防水劑之間的混合比以質(zhì)量比(導(dǎo)電性載體纖維防水材料)計應(yīng)優(yōu)選為約99 1至50 50，更優(yōu)選95 5至60 40。依賴于膜電極組件的排水特性和隔離膜的表面性質(zhì)，優(yōu)選使用沒有防水處理的氣體擴散基材或?qū)嵤┯H水處理的氣體擴散基材。此外，多孔金屬可作為基材層使用。多孔金屬可為任何作為基材層材料已知的那些，例如，鐵、鈦、鋁、銅或它們的合金；不銹鋼；貴金屬如金和銀等。此外，關(guān)于多孔金屬的孔徑?jīng)]有限制?？紤]到氣體擴散層的特性可任意確定基材層的厚度，但應(yīng)為大約30-500 μ m。如果其保持在該范圍內(nèi)，可達(dá)到機械強度和氣體與水的滲透性之間的適當(dāng)平衡。在其它實施方案中，吸水材料負(fù)載于導(dǎo)電性載體顆粒和導(dǎo)電性載體纖維二者上。 圖:3B為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的包含粒狀吸水材料、纖維狀導(dǎo)電性載體和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。在示于圖3B的實施方案中，氣體擴散層4由負(fù)載于導(dǎo)電性載體顆粒43a和導(dǎo)電性載體纖維4 二者上的吸水材料41構(gòu)成，其中導(dǎo)電性載體纖維4 形成氣體擴散基材45。吸水材料41、導(dǎo)電性載體顆粒43a和氣體擴散基材45形成基材層30。 在該構(gòu)造中，獲得具有更好機械強度和微多孔性(水和氣體擴散性)的氣體擴散層。圖4A為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的使用纖維狀吸水材料的氣體擴散層的模式圖。在示于圖4A的實施方案中，氣體擴散層4由纖維狀吸水材料41構(gòu)成。纖維狀吸水材料41形成氣體擴散基材45，和該氣體擴散基材45形成基材層30。在該構(gòu)造中，可以增加氣體擴散層中吸水材料的含量至多100質(zhì)量％，因此可增加氣體擴散層中微孔的孔容積。因此，可以吸收由發(fā)電過程產(chǎn)生的水還可以防止其在低溫環(huán)境下的凍結(jié)。此外，還獲得具有優(yōu)異機械強度的氣體擴散層。圖4B為示出根據(jù)本發(fā)明又一實施方案的包含纖維狀吸水材料和粒狀導(dǎo)電性載體的氣體擴散層的模式圖。在示于圖4B的實施方案中，氣體擴散層4包含纖維狀吸水材料41 和粒狀導(dǎo)電性載體43a。導(dǎo)電性載體顆粒43b以分散的狀態(tài)存在于由纖維狀吸水材料41形成的氣體擴散基材45中，以及導(dǎo)電性載體顆粒4 和氣體擴散基材45構(gòu)成基材層30。在該構(gòu)造中，獲得具有更好機械強度和微多孔性(水和氣體擴散性)的氣體擴散層。在示于圖4A和圖4B的前述實施方案中，氣體擴散基材45僅由吸水材料41構(gòu)成，氣體擴散基材45可由纖維狀吸水材料41以及其它纖維狀材料構(gòu)成。例如，氣體擴散基材 45可由纖維狀吸水材料41和導(dǎo)電性載體纖維4 配置。此外，在示于圖:3B和圖4B的實施方案中，關(guān)于圖3A中描述的構(gòu)造也可優(yōu)選應(yīng)用至構(gòu)成基材層的構(gòu)件中。在示于圖2A-圖2D、圖3A和圖;3B以及圖4A和圖4B的實施方案中，氣體擴散層4 由微多孔層20 (圖2A-圖2D)或基材層30(圖3A和圖3B，以及圖4A和圖4B)任一構(gòu)成。 然而，本發(fā)明不限于此類單一層結(jié)構(gòu)的氣體擴散層，而是也可具有多層。圖5為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的包含基材層和微多孔材料的氣體擴散層的模式圖。在示于圖5的實施方案中，氣體擴散層4具有層壓于基材層30上的微多孔層20。在具有此類層壓構(gòu)造的氣體擴散層中，其是可接受的，只要微多孔層或基材層包含具有微多孔的吸水材料即可。如果將吸水材料包含于微多孔層中，例如，微多孔層可為示于圖2A-圖2D的前述微多孔層20。此外，將基材層構(gòu)造為包含由導(dǎo)電性載體纖維構(gòu)成的氣體擴散基材，以及可以包含或可以不包含吸水材料。此外，多孔金屬可用作基材層。另一方面，如果基材層包含吸水材料，則例如，基材層可為示于圖3A-圖3C以及圖4A和圖4B的前述基材層30。此外，微多孔層可由導(dǎo)電性載體顆粒和吸水材料的組合構(gòu)成，即微多孔層可以包含或可以不包含吸水材料。通過具有此類層壓構(gòu)造，獲得具有零下啟動性、機械強度和氣體/水?dāng)U散能力的優(yōu)異平衡的氣體擴散層。如果使用微多孔層和基材層的層壓構(gòu)造，則微多孔層應(yīng)優(yōu)選設(shè)置在催化劑層側(cè)上。通過這樣做，可進(jìn)一步改進(jìn)氣體和水的擴散性。除了微多孔層和/或基材層之外，本發(fā)明的氣體擴散層還可包含其它層。盡管根據(jù)本發(fā)明的氣體擴散層的制造方法的優(yōu)選實施方案描述如下，但氣體擴散層的制造方法不需限制于此，而是也可應(yīng)用其它公知的方法。本發(fā)明不應(yīng)解釋為限定于以下實施方案。當(dāng)氣體擴散層包含基材層時，必須首先制備氣體擴散基材。氣體擴散基材的防水處理可使用通常已知的防水處理進(jìn)行。例如，存在將用于氣體擴散層的基材浸漬于水性分散液或醇分散液中并將其在烘箱中熱干燥等的方法。從在干燥過程期間排氣處理的簡易性的觀點，防水劑的水性分散液的使用是優(yōu)選的。與上述相同的防水處理可應(yīng)用至當(dāng)使用由纖維狀吸水材料形成的氣體擴散基材的情況。如從圖3A、圖;3B和圖4B中可見，如果意欲具有吸水材料41和/或?qū)щ娦暂d體顆粒43a以分散的方式存在于氣體擴散基材45中的構(gòu)造，將吸水材料41和/或?qū)щ娦暂d體顆粒43a分散在溶劑中以制備漿料溶液。作為溶劑，可優(yōu)選使用水或醇類溶劑如全氟苯、二氯五氟丙烷、甲醇和乙醇。接著，用漿料溶液涂布?xì)怏w擴散基材45，或?qū)怏w擴散基材45浸漬在漿料溶液中以用吸水材料41和/或?qū)щ娦暂d體顆粒43a含浸氣體擴散基材45。接著， 將其干燥以獲得包含用吸水材料41和/或?qū)щ娦暂d體顆粒43a含浸的氣體擴散基材45的基材層。當(dāng)氣體擴散層包含微多孔層時，將吸水材料41和/或?qū)щ娦暂d體顆粒43a以及粘結(jié)劑42，和如果需要的防水劑分散在溶劑中以制備漿料溶液。作為溶劑，可優(yōu)選使用水或醇類溶劑如全氟苯、二氯五氟丙烷、甲醇和乙醇。通過干燥所得漿料溶液，獲得微多孔層。此外，如果氣體擴散層包含微多孔膜44，通過將微多孔膜浸漬在上述獲得的漿料溶液中用漿料溶液含浸多孔膜44。還可以通過將由吸水材料和粘結(jié)劑(PTFE等)以及如果需要的導(dǎo)電性載體顆粒和其它氟類樹脂的均勻混合物(混合物、漿料等)成膜化來生產(chǎn)微多孔層?；旌匣蛏a(chǎn)膜的方法的細(xì)節(jié)不特別限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)需要通過改進(jìn)而實施，但是制造方法例如，使用PTFE作為粘結(jié)劑可如下示出?？赏ㄟ^公知的方法制備混合物(混合物、漿料等)。例如，混合物可通過干法或濕法制備，而漿料可通過濕法制備。干法為將吸水材料和如果需要的導(dǎo)電性載體顆粒的細(xì)粉(導(dǎo)電性碳粉等)和PTFE 細(xì)粉混合。在干法的情況下，將所述細(xì)粉裝入適當(dāng)?shù)幕旌蠙C(例如，V型共混機)，在不對 PTFE施加剪切作用的情況下攪拌(例如，保持在低于20°C的溫度下在低混合速度下混合)， 并進(jìn)一步添加適當(dāng)?shù)募庸ぶ鷦?例如，礦物油)以使其由所述混合物徹底吸收從而制備混合物。吸水材料和導(dǎo)電性載體顆粒(例如，導(dǎo)電性碳粉)的細(xì)粉可通過將吸水材料和導(dǎo)電性載體顆粒(例如，導(dǎo)電性碳粉)使用公知的粉碎機(例如，球磨機、銷棒粉碎機、均化器等)粉碎來獲得。使用市場上可得的PTFE的細(xì)粉是方便的。在添加加工助劑之后適當(dāng)加熱(例如，40-60°C，優(yōu)選50°C左右)混合物是推薦的。另一方面，濕法為將吸水材料、導(dǎo)電性載體顆粒和PTFE在水中混合的方法。換句話說，在濕法中，漿料(墨)通過將粉碎至能夠在表面活性劑的存在下分散的程度的原料 (吸水材料、導(dǎo)電性載體顆粒和PTFE)混合在水中來制備。此外，如果將機械剪切作用施加至漿料(墨)或在混合過程期間添加沉淀劑(醇等)，會引起吸水材料、導(dǎo)電性載體和PTFE 共沉淀。將共沉淀的物質(zhì)過濾，將其干燥，并使得干燥的物質(zhì)以類似于前述干法中的方式吸收加工助劑，這也可以制備期望的混合物。盡管微細(xì)吸水材料和導(dǎo)電性載體顆?？梢砸灶愃朴谇笆龈煞ㄖ械姆绞街苽?，但將表面活性劑添加至液體并使它們通過浸沒式粉碎裝置 (例如，均化器)粉碎它們而在該液體中分散是更簡單的。此外，對于此處使用的PTFE，使用市場上可得的水性PTFE分散液是可行的。為了由混合物生產(chǎn)膜，應(yīng)用PTFE泥漿的擠出方法是簡單的。換句話說，可以使用各種公知的方法，例如，通過將混合物預(yù)成型生產(chǎn)混合物的小球，將小球通過模具擠出并將擠出的產(chǎn)物干燥的方法(擠出法)，和將上述小球使用擠出機擠出為珠狀產(chǎn)物，在兩輥之間壓延珠狀產(chǎn)物并干燥該產(chǎn)物(珠壓延法)等。在通過均勻混合吸水材料和粘結(jié)劑(PTFE等)以及如果需要的導(dǎo)電性載體顆粒和其它氟類樹脂獲得的混合物(混合物、漿料等)形成膜以生產(chǎn)微多孔層的情況下，要施涂 (涂布)的吸水材料的量應(yīng)為能夠確保氣體擴散層的微孔的孔容積符合期望的范圍并提供充分的機械強度的量。如上所述，微孔的孔容積和強度依賴于吸水材料的類型(物質(zhì))和負(fù)載量，因此期望的孔容積和機械強度的微多孔層通過調(diào)節(jié)吸水材料的類型、負(fù)載量和添加量來獲得。更具體地，要施涂(涂布)的吸水材料的量優(yōu)選為使得由于吸水材料引起的理論上的微孔孔容積為2. 0Χ1(Γ2至5. OX K^cmVcm2，或更具體地2. 6 X 1(Γ2至4. OXKT1Cm3/ cm2的量。在該量的情況下，即使當(dāng)吸水材料的部分微孔在制備微多孔層時堵塞時，氣體擴散層也提供期望范圍內(nèi)的微孔的孔容積和充分的機械強度?！坝捎谖牧弦鸬睦碚撋系奈⒖卓兹莘e"可作為每Icm2的氣體擴散層施涂的吸水材料的量(g/cm2)和吸水材料的微孔的孔容積(cm7g)的乘積來獲得。膜的厚度和透濕性通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)所述膜生產(chǎn)過程是可調(diào)節(jié)的。例如，如果在擠出成型法或珠壓延法中生產(chǎn)的一次成形膜太厚，則可重復(fù)壓延直至膜達(dá)到規(guī)定的厚度。依賴于制備條件，透濕度會由于密度的過度上升而降低，但透濕度會通過拉伸膜而升高。因此，膜的厚度和透濕度可通過適當(dāng)?shù)亟M合壓延和拉伸來調(diào)節(jié)。另一方面，在涂布法中，可重復(fù)涂布和干燥直至膜厚度達(dá)到規(guī)定值，并且可使用壓延和拉伸工藝以進(jìn)一步調(diào)節(jié)膜的厚度和透濕度。還可以通過壓延和拉伸調(diào)節(jié)沿膜厚度方向膜的電阻以及透氣性。在擠出成型法或珠壓延法的干燥過程中，推薦加熱至溫度(例如，150-300°C，或更具體地200°C左右)以致加工助劑(礦物油等)可通過蒸發(fā)除去，而在涂布法的干燥過程中，推薦加熱至溫度(例如，100-300°C，或更具體地120°C左右)以致水分可通過蒸發(fā)除去。在干燥過程中，還推薦碳化有機雜質(zhì)(例如，濕法中使用的表面活性劑)以使它們無害。如果表面活性劑殘留，則膜的透濕度會極為受到影響時，透濕度通過碳化表面活性劑會降低至可接受的水平。碳化溫度為例如，300-400°C左右(更具體地350°C左右)。除去有機雜質(zhì)的方法不限于前述碳化過程，而是依賴于雜質(zhì)類型可使用各種其它方法。例如，依賴于表面活性劑的類型，其可以通過將其加熱至250°C以上除去，而表面活性劑可通過使用溶劑(例如，醇)萃取除去。此方法的細(xì)節(jié)公開在日本專利申請公布S57-030270和日本專利申請公布2006-252948。如果微多孔層形成于基材層上，則可以通過用漿料溶液涂布?xì)怏w擴散基材或用漿料溶液浸漬微多孔膜并通過將其干燥來完成。因而，獲得用基材層30和微多孔層20層壓的氣體擴散層。前述實施方案的氣體擴散層可用于各種應(yīng)用。此類實例之一為示于圖1的氣體擴散層Gadc)。此外，根據(jù)本發(fā)明一實施方案，提供包含氣體擴散層Ga、4c)和層壓在所述氣體擴散層上的催化劑層(3a、3c)的燃料電池用氣體擴散電極(8a、8c)。氣體擴散電極是指氣體擴散層和電極催化劑層的組件。由于氣體擴散層通過層壓和裝配催化劑層至氣體擴散層的微多孔層側(cè)形成，所以實現(xiàn)氣體擴散層和催化劑層之間更緊密的接觸。這防止氣體擴散層和催化劑層之間的界面上冰的形成，并抑制電阻的增加。本發(fā)明的又一實施方案提供包含聚合物電解質(zhì)膜2以及夾持所述聚合物電解質(zhì)膜2的一對陽極氣體擴散電極8a和陰極氣體擴散電極8c的燃料電池用膜電極組件。在膜電極組件中，所述陽極氣體擴散電極8a和陰極氣體擴散電極8c至少之一為前述實施方案的氣體擴散電極。陽極氣體擴散電極優(yōu)選為前述實施方案的氣體擴散電極。優(yōu)選陽極氣體擴散電極即陽極的氣體擴散層具有2.0Xl(T4Cm7Cm2以上的微孔。水在發(fā)電期間在陰極側(cè)產(chǎn)生。通過提供在陽極氣體擴散層中具有微孔的吸水材料可以促進(jìn)在陰極產(chǎn)生的水的逆向擴散。此外，在聚合物電解質(zhì)型燃料電池的情況下，例如，在陽極處的氫氣與在陰極處的氧氣相比具有更高的氣體擴散性，因此陽極與陰極相比受到吸收的水或冰影響較少。因此，滯留在陰極側(cè)的過量的水更快速地朝向陽極側(cè)移動，延長在低溫環(huán)境中的發(fā)電持續(xù)時間。因而，從較低溫度下的自啟動變得可行，這使得電池更快速啟動。此外，陽極氣體擴散電極和陰極氣體擴散電極二者能夠用作適用前述實施方案的氣體擴散層的氣體擴散電極。在此情況下，吸水能力增加，因此發(fā)電持續(xù)時間與僅使用氣體擴散電極的情況相比可增加。此外， 不言而喻可僅將陰極氣體擴散電極用作適用前述實施方案的氣體擴散層的氣體擴散層。盡管即使在此情況下的發(fā)電持續(xù)時間也可增加，但吸收的水和冰可滯留并趨于防止反應(yīng)氣體 (氧氣)的擴散，因此與應(yīng)用至陽極側(cè)的情況相比效果較小。最優(yōu)選僅將具有2. OX 10_4cm7 cm2以上的微孔的氣體擴散層應(yīng)用至陽極氣體擴散電極。根據(jù)該構(gòu)造，由于與陽極氣體擴散電極相比沒有那么多微孔存在于陰極氣體擴散電極上，因此在陰極側(cè)產(chǎn)生的水不會滯留在陰極側(cè)并且快速地移動至陽極氣體擴散層的微孔。因此，可以抑制/防止在陰極催化劑層內(nèi)水的凍結(jié)，因此氧氣在啟動期間可快速擴散通過催化劑層。另一方面，即使當(dāng)水凍結(jié)在陽極氣體擴散層的微孔中時，在陽極催化劑層中的氫氣也不會受到水和冰的許多干擾，并在啟動期間能夠容易地擴散通過陽極催化劑層。因此，在該構(gòu)造的情況下，燃料電池提供更好的在低溫環(huán)境中的啟動性能(零下啟動性)。本發(fā)明不應(yīng)認(rèn)為受限于上述機理。此外，本發(fā)明的實施方案提供具有前述實施方案的氣體擴散層，或使用其的氣體擴散電極，或使用它們的膜電極組件和夾持所述膜電極組件的一對陽極隔離膜和陰極隔離膜的燃料電池。在下文中，使用根據(jù)前述實施方案的氣體擴散層的PEFC的構(gòu)成參考圖1描述。然而，本發(fā)明的特征基于氣體擴散層。因此，除了氣體擴散層之外的其構(gòu)件的具體構(gòu)成可基于現(xiàn)有技術(shù)的知識任意改變。[電解質(zhì)層]例如，電解質(zhì)層由固體聚合物電解質(zhì)膜2，例如圖1中示出的構(gòu)造中可見的那些構(gòu)成。固體聚合物電解質(zhì)膜2具有在PEFCl運行期間選擇性地允許在陽極催化劑層3a中產(chǎn)生的質(zhì)子傳輸至陰極催化劑層3c的功能。固體聚合物電解質(zhì)膜2也用作隔壁以防止供給至陽極側(cè)的燃料氣體與供給至陰極側(cè)的氧化劑氣體混合。固體聚合物電解質(zhì)膜2依賴于制造該固體聚合物電解質(zhì)膜2的離子交換樹脂的類型分類為氟類聚合物電解質(zhì)膜和糖類聚合物電解質(zhì)膜。構(gòu)成氟類聚合物電解質(zhì)膜的離子交換樹月旨包括全氟烴磺酸類聚合物(perfluorocarbon sulfonic acid group polymers)、 全氟烴磷酸類聚合物(perfluorocarbon phoshonic acid group polymers)、三氟苯乙烯磺酸類聚合物、乙烯四氟乙烯-g_苯乙烯磺酸類聚合物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯-全氟烴磺酸類聚合物，如Nafion(Dupont的注冊商標(biāo))、Aciplex(Asahi Kasei Chemicals Corp.的注冊商標(biāo))和Flemion(Asahi Glass Co.的注冊商標(biāo))。從改進(jìn)發(fā)電性能如耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性的觀點，這些氟聚合物電解質(zhì)膜是優(yōu)選使用的，特別地，由全氟烴磺酸類聚合物構(gòu)成的氟類聚合物電解質(zhì)膜是更優(yōu)選使用的。此處可應(yīng)用的烴類電解質(zhì)包括磺化聚醚砜(S-PES)、磺化聚芳醚酮、磺化聚苯并咪唑烷基(sulfonated polybenzimidazolealkyl)、磷酸化聚苯并咪唑烷基 (phosphorylated polybenzimidazolealkyl)、磺化聚苯乙烯、磺化聚醚醚酮(S-PEEK)、磺化聚亞苯基(S-PPP)。從它們的原料便宜、它們的制造過程簡單和它們的材料高度可選擇的制造觀點，這些烴類聚合物電解質(zhì)膜是優(yōu)選使用的。前述離子交換樹脂可單獨或以兩種以上組合使用。它們的使用是不限制的，也可以使用其它材料?？紤]到獲得的燃料電池的特性，電解質(zhì)層的厚度可以任意選擇，并不限于任何特定值。電解質(zhì)層的厚度通常為5-300μπι左右。如果電解質(zhì)層的厚度保持在該范圍內(nèi)，可適當(dāng)?shù)乜刂圃谥圃爝^程期間膜的強度、在使用期間的持續(xù)時間和輸出性能之間的平衡。[催化劑層]催化劑層(陽極催化劑層3a和陰極催化劑層3c)為實際電池反應(yīng)發(fā)生的層。更具體地，氫的氧化反應(yīng)發(fā)生在陽極催化劑層3a，而氧的還原反應(yīng)發(fā)生在陰極催化劑層3c。催化劑層包含催化劑組分、用于負(fù)載催化劑組分的導(dǎo)電性催化劑載體和電解質(zhì)。 由負(fù)載在催化劑載體上的催化劑組分構(gòu)成的復(fù)合體下文中也稱為"電極催化劑"。
任何公知的催化劑可用于陽極催化劑層，只要其提供對氫的氧化反應(yīng)的催化作用，并不存在特別限制。任何公知的催化劑也可用于陰極催化劑層，只要其提供對氧的還原反應(yīng)的催化作用，并不存在特別限制。更具體地，催化劑選自金屬如鉬、釕、銥、銠、鈀、鋨、 鎢、鉛、鐵、鉻、鈷、鎳、錳、釩、鉬、鎵和鋁以及它們的合金。這些中，優(yōu)選至少部分地包含鉬的那些，以改進(jìn)催化活性、對一氧化碳等的抗毒性和耐熱性。所述合金組成，盡管其依賴于要合金化的金屬的類型，但應(yīng)優(yōu)選包含30-90原子％鉬，要與鉬合金化的金屬的含量應(yīng)為10-70原子％。合金為與一種或多種其它金屬的金屬元素或非金屬元素的組合的統(tǒng)稱，此類組合具有金屬特性。在本申請中，合金可為不同組分元素晶體的混合物的共晶合金，或通過完全地熔融組分元素形成的固溶體，或組分元素為全部金屬或部分金屬與部分非金屬的化合物。在此情況下，用于陽極催化劑層的催化劑組分和用于陰極催化劑層的催化劑組分二者可從以上任意選擇。除非與此處說明不同， 否則用于陽極催化劑層和用于陰極催化劑層的催化劑組分的描述定義為相同的。因此，將其統(tǒng)稱為"催化劑組分"。然而，這不是指用于陽極催化劑層和用于陰極催化劑層的催化劑組分不需要為相同的，應(yīng)任意選擇以提供上述期望的功能。催化劑組分的形狀和尺寸不特別限定，并可使用和在公知的催化劑組分的情況下同樣的任何形狀和尺寸。然而，催化劑組分的形狀優(yōu)選為粒狀。在此情況下，催化劑顆粒的平均粒徑優(yōu)選為l-30nm。如果催化劑顆粒的平均粒徑在此范圍內(nèi)，則與發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的有效電極面積關(guān)聯(lián)的催化劑的使用率和載體的容易性之間的平衡適當(dāng)?shù)乜煽?。根?jù)本發(fā)明的"催化劑顆粒的平均粒徑"定義為通過X射線衍射由催化劑組分的衍射峰的半譜帶寬度獲得的微晶直徑和由透射型電子顯微鏡的圖像獲得的催化劑組分的粒徑的平均值。催化劑載體起到用于負(fù)載前述催化劑組分的載體構(gòu)件的作用和起到與催化劑組分和其它構(gòu)件之間的電子通過關(guān)聯(lián)的電子傳導(dǎo)通路的作用。作為催化劑載體，優(yōu)選其在期望的分布條件下具有用于負(fù)載催化劑組分的比表面積和充分的電子傳導(dǎo)性，因此優(yōu)選主要由碳構(gòu)成的載體。更具體地，由炭黑制成的碳顆粒 (油料爐黑、槽法炭黑、燈黑、熱裂炭黑、乙炔黑等)、活性炭、焦炭、天然石墨和人造石墨可應(yīng)用于該目的。“主要由碳構(gòu)成"是指碳原子作為主要組分包含的概念，包括"僅由碳原子構(gòu)成"和"基本上由碳原子構(gòu)成"的兩種概念。在一些情況下，其可包含除了碳原子之外的元素以改進(jìn)燃料電池的特性。此外，“基本上由碳原子構(gòu)成"是指其允許具有2-3質(zhì)量％程度以下包括的雜質(zhì)。催化劑載體的BET比表面積可為以高度分散的狀態(tài)負(fù)載催化劑組分的比表面積， 但應(yīng)在20-1600m2/g，或更具體地80-1200m2/g的范圍內(nèi)。如果催化劑載體比表面積保持在該范圍內(nèi)，則可適當(dāng)?shù)乜刂拼呋瘎┙M分在催化劑載體上的分布特性和催化劑組分的有效使用率之間的平衡。盡管催化劑載體的尺寸不特別限制，但從負(fù)載的容易性、催化劑的使用率和催化劑層的厚度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)的方面，優(yōu)選平均粒徑為5-200nm左右，或更優(yōu)選lO-lOOnm。在其催化劑組分負(fù)載在催化劑載體上的電極催化劑的情況下，催化劑組分的負(fù)載量應(yīng)優(yōu)選為電極催化劑的總體積的10-80質(zhì)量％，或更優(yōu)選30-70質(zhì)量％。如果催化劑組分的負(fù)載量保持在該范圍內(nèi)，則催化劑組分在催化劑載體上的分布特性和催化劑組分性能之間的平衡可適當(dāng)控制。電極催化劑的催化劑組分的負(fù)載量通過電感耦合等離子發(fā)射光譜法(ICP)測量。除了電極催化劑之外，催化劑層還包括離子導(dǎo)電性聚合物電解質(zhì)。不具體限制特別的聚合物電解質(zhì)，可任意地參照任何公開可得的現(xiàn)有產(chǎn)品。例如，將構(gòu)成前述電解質(zhì)層的離子交換樹脂作為聚合物電解質(zhì)添加至催化劑層。催化劑層可包含添加劑如防水劑、分散劑、增稠劑和如果需要的孔形成材料。這些添加劑可為公知的并且本領(lǐng)域技術(shù)人員如果需要會使用的，而其它的具體構(gòu)造不特別限制。膜電極組件的制備方法不特別限制，并可應(yīng)用任何公知的方法。例如，可以使用借助于熱壓轉(zhuǎn)印或涂布催化劑層至電解質(zhì)膜上、將其干燥并將其裝配至氣體擴散層的方法， 或通過涂布催化劑層至基材層的微多孔層側(cè)(或者如果不包括微多孔層在基材層一側(cè)上) 并將其干燥來制備兩個氣體擴散電極(GDE)并將氣體擴散電極通過熱壓裝配至電解質(zhì)膜的兩側(cè)上的方法。涂布條件和熱壓的裝配條件以及其它可依賴于電解質(zhì)膜和在催化劑層中的電解質(zhì)(全氟磺酸類和烴類)的類型任意調(diào)節(jié)。(隔離膜)當(dāng)通過在制造聚合物電解質(zhì)燃料電池等時串聯(lián)連接多個燃料電池的單元電池構(gòu)造燃料電池組時，隔離膜具有串聯(lián)電連接電池的功能。隔離膜還具有用作用于分隔燃料氣體、氧化劑氣體和制冷劑彼此的隔壁的功能。為了確保這些通路，優(yōu)選在各隔離膜上設(shè)置氣體通路和制冷劑通路。作為構(gòu)成隔離膜用材料，任何公知的材料如致密碳石墨、碳板和其它的碳，或金屬材料如不銹鋼可任意應(yīng)用而沒有任何限制。隔離膜的厚度和尺寸以及各通路的形狀和尺寸不特別指定，可考慮期望的燃料電池的輸出性能任意確定。盡管聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEFC)在前述描述中用作該類燃料電池的實例， 本發(fā)明可應(yīng)用于其它種類的燃料電池，如堿燃料電池、直接甲醇燃料電池、微型燃料電池。 它們中，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池是最有利的，這是由于其可以小型致密地構(gòu)建，提供高電力輸出。盡管所述燃料電池不僅作為安裝空間有限的移動體如機動車用電源而且作為定置用電源是合適的，但其特別適合于系統(tǒng)啟動和停止以及輸出波動頻繁發(fā)生的機動車用途?？蓱?yīng)用的燃料電池的制造方法不限制，并可涉及燃料電池領(lǐng)域中各種公知的方法。關(guān)于本發(fā)明中用于運行燃料電池的燃料不特別限制。例如，可使用氫氣、甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1- 丁醇、仲丁醇、叔丁醇、二甲醚、二乙醚、乙二醇、二甘醇等。這些中， 氫氣和甲醇是更有利地使用的，這是由于它們提供高輸出電力。此外，為了燃料電池能夠產(chǎn)生期望的電壓，燃料電池組可通過隔著隔離膜串聯(lián)連接多層膜電極組件而形成。燃料電池的形狀不特別限制，而是可以以能夠達(dá)到期望的電池特性如電壓的方式任意確定。前述PEFC 1和燃料電池組使用具有優(yōu)異零下啟動性的氣體擴散層或包括氣體擴散層的氣體擴散電極。因此，PEFC 1和燃料電池組具有優(yōu)異的零下啟動性。[機動車]可將根據(jù)本實施方案的PEFC 1和使用其的燃料電池組安裝在例如機動車上作為其驅(qū)動電源。圖6為示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的裝配有燃料電池組的機動車的概念圖。為了安裝燃料電池組101至燃料電池驅(qū)動機動車100上，例如，如圖3所示可以安裝在位于燃料電池驅(qū)動機動車100主體中間的座位下。通過將燃料電池安裝在座位下方，可以提供更多的車內(nèi)空間。燃料電池組101不必須安裝在座位下方，而是可依賴于環(huán)境安裝在后車廂底部或機動車前面部分的發(fā)動機艙。如從此處可見，安裝PEFC 1和燃料電池組101的機動車也包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍中。PEFC 1和燃料電池組具有優(yōu)異的零下啟動性。因此，本發(fā)明提供具有優(yōu)異零下啟動性的機動車。[實施例]盡管本發(fā)明的效果使用各種實施例和比較例描述如下，本發(fā)明的技術(shù)范圍不應(yīng)認(rèn)為局限于具體實施例。[實施例1](1)陽極的氣體擴散層的制備(a)氣體擴散基材的防水處理作為陽極用氣體擴散基材，對使用在包含于稍后所述陰極的氣體擴散層中的氣體擴散基材上使用的相同復(fù)寫紙(厚度200 μ m)的氣體擴散層施加防水處理。水性PTFE分散液(Dl-E，Daikin Industries, Ltd.的產(chǎn)品)用于防水處理。防水處理之后PTFE在復(fù)寫紙中的含量為10質(zhì)量％。(b)微多孔層(MPL)的制備將作為吸水材料的活性炭粉(平均粒徑3 μ m ；原料椰子殼；微孔容積0. 85cm3/ g)、作為導(dǎo)電性載體顆粒的炭黑(平均粒徑1μπι(二次粒徑))、和與前述防水處理(D1-E， Daikin Industries,Ltd.的產(chǎn)品)中使用的那些相同的水性PTFE分散液以活性炭粉炭黑PTFE為7 4 2的比例混合以生產(chǎn)漿料。該漿料使用棒涂機施涂至已經(jīng)預(yù)處理為防水的氣體擴散基材上，自然干燥，進(jìn)一步在80°C下干燥15分鐘。然后將其在330°C下煅燒30分鐘。通過這樣，獲得具有形成在氣體擴散基材的包含吸水材料的微多孔層(厚度 30口!11，每單位面積量178/(^2)的氣體擴散層。以上獲得的氣體擴散層的孔的分布使用氮吸附法測量以計算孔容積。此外，對于具有直徑2nm以下的微孔，微孔的孔容積通過MP法計算。結(jié)果示于表1中。(2)電極膜組件(MEA)和裝配單元電池準(zhǔn)備PRIMEA(注冊商標(biāo))5580(購自Japan GORE-TEX)作為由通過一對催化劑層(將催化劑層涂布在電解質(zhì)膜上的狀態(tài))夾持的聚合物電解質(zhì)膜構(gòu)成的組件。準(zhǔn)備 CARBEL (注冊商標(biāo))CNW (購自Japan GORE-TEX ；厚度230 μ m)作為陰極氣體擴散層(具有 MPL)。該組件通過如上所述制備的陽極氣體擴散層和上述氣體擴散層以基材層在外部的方式夾持從而獲得電極膜組件，其中電解質(zhì)膜通過陽極氣體擴散電極和陰極氣體擴散電極夾持。通過具有由石墨隔離膜夾持和由鍍金不銹鋼集電板進(jìn)一步夾持的上述組件，制備評價用單元電池(有效面積5CmX5Cm)。[實施例2]除了活性炭粉炭黑PTFE的質(zhì)量比選為5 :6:2以外，陽極的氣體擴散層通過與實施例1(1)中采用的方法相同的方法制備，其中由此制備的氣體擴散層具有在氣體擴散基材上包含吸水材料的微多孔層(厚度30μπι，每單位面積量17g/cm2)。氣體擴散層的孔容積和微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算。結(jié)果示于表1中。除了使用特別的氣體擴散層以外，評價用單元電池以與實施例1(2)中相同方式制備。[實施例3]除了活性炭粉炭黑PTFE的質(zhì)量比選為4 :7:2以外，陽極的氣體擴散層通過與實施例1(1)中采用的方法相同的方法制備，其中由此制備的氣體擴散層具有在氣體擴散基材上包含吸水材料的微多孔層(厚度30μπι，每單位面積量17g/cm2)。氣體擴散層的孔容積和微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算。結(jié)果示于表1中。除了使用特別的氣體擴散層以外，評價用單元電池以與實施例1(2)中相同方法制備。[實施例4]各種活性炭粉(平均粒徑5 μ m ；石油原料；微孔的孔容積0. 25cm3/g)用作包含在微多孔層中的吸水材料，以及微多孔層中活性炭粉炭黑PTFE的質(zhì)量比選為7 3 4。 除了形成在氣體擴散基材上包含吸水材料的微多孔層(厚度25μπι，每單位面積量16g/ cm2)以外，陽極氣體擴散層通過與實施例1(1)中采用的方法相同的方法制備。氣體擴散層的孔容積和微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算。結(jié)果示于表1中。除了使用特別的氣體擴散層以外，評價用單元電池以與實施例1(2)中相同方式制備。[實施例5](1)陽極的氣體擴散層的制備微多孔層中活性炭粉(平均粒徑3μπι;原料椰子殼；微孔容積0.85cm7g) 炭黑PTFE的質(zhì)量比選為8 0 2。除了形成在氣體擴散基材上包含吸水材料的微多孔層(厚度30μπι，每單位面積量17g/cm2)以外，陽極氣體擴散層通過與實施例1 (1)中采用的方法相同的方法制備。氣體擴散層的孔容積和微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算。結(jié)果示于表1中。(2)電極膜組件(MEA)和裝配單元電池準(zhǔn)備I3RIMEA(注冊商標(biāo))5580 (購自Japan GORE-TEX)作為由通過一對催化劑層(將催化劑層涂布在電解質(zhì)膜上的狀態(tài))夾持的聚合物電解質(zhì)膜構(gòu)成的組件。準(zhǔn)備 CARBEL (注冊商標(biāo))CNW (購自Japan GORE-TEX ；厚度230 μ m)作為陰極氣體擴散層(具有 MPL)。除了使用特別的組件和如上所述制備的氣體擴散層以外，評價用單元電池以與實施例1( 中相同方法制備。[比較例1]除了與用于陽極氣體擴散層中的那些相同的CARBEL (注冊商標(biāo))CNW (購自Japan GORE-TEX ；厚度230μπι)用作陰極氣體擴散層(具有MPL)以外，評價用單元電池以與實施例1中相同的方法制備。氣體擴散層的孔容積和微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算。結(jié)果示于表1中。[比較例2]具有大的孔容積但具有較小的微孔的孔容積(Black Pearls 2000，購自CabotCorporation)的碳代替用作包含在微多孔層中的吸水材料，以及活性炭粉炭黑PTFE 的質(zhì)量比選為0 8 2。除了形成在氣體擴散基材上包含吸水材料的微多孔層(厚度 3(^!11，每單位面積量178/(^2)以外，陽極氣體擴散層通過與實施例1(1)中采用的方法相同的方法制備。氣體擴散層的孔容積和微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算。結(jié)果示于表1中。除了使用特別的氣體擴散層以外，評價用單元電池以與實施例1(2)中相同方法制備。[比較例3]除了將與用于陽極氣體擴散層中的那些相同的CARBEL(注冊商標(biāo))CNW(購自 Japan GORE-TEX ；厚度230μπι)用作陰極氣體擴散層(具有MPL)以外，評價用單元電池以與實施例5中相同的方法制備。氣體擴散層的孔容積和微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算。結(jié)果示于表1中。[表1]
陽極氣體擴散層陰極氣體擴散層組件構(gòu)成微孔的孔容積 (cm3/cm2)孔容積 (cm3/cm2)MPL中吸水材料舍量(質(zhì)量％)構(gòu)成構(gòu)成實施例1MPL + 復(fù)寫紙5.1xl0"49.6x10454CARBEL (商標(biāo)) CNWPRIMEA (商標(biāo))5580實施例2MPL + 復(fù)寫紙3.6x10"49.4x10"438CARBEL (商標(biāo)) CNWPRIMEA (商標(biāo))5580實施例3MPL + 復(fù)寫紙2.6x1046.3x10"431CARBEL (商標(biāo)) CNWPRIMEA (商標(biāo))5580實施例4MPL + 復(fù)寫紙2.0x10"44.3x10'450CARBEL (商標(biāo)) CNWPRIMEA (商標(biāo))5580實施例5MPL + 復(fù)寫紙6.3x10"41.IxlO-380CARBEL (商標(biāo)) CNWPRIMEA (商標(biāo))5580比較例1CARBEL測量范圍以下2.9x1 (T4-CARBEL (商標(biāo)) CNWPRIMEA (商標(biāo))5580比較例2MPL + 復(fù)寫紙1.4x1 (T42.6x10"30CARBEL (商標(biāo)) CNWPRIMEA (商標(biāo))5580比較例3CARBEL測量范圍以下2.9x10"4-CARBEL (商標(biāo)) CNWPRIMEA (商標(biāo))5580(零下啟動性的評價)向在實施例和比較例中制備的各個評價用單元電池的陽極施加氫氣和向陰極施加空氣，并且在氣體流量陽極/陰極S. R. = 18. 6/21.7和電池溫度為-20°C的條件下發(fā)電。 S.R.(化學(xué)計量比)此處是指產(chǎn)生特定電流需要的氫氣或氧氣的比，"陽極S.R. =18.6〃 是指在產(chǎn)生特定電流需要的氫氣量的18. 6倍的流量下供給氫氣。測量對于此時單元電池的電流密度的輸出電壓。當(dāng)電流密度設(shè)定為40mA/cm2時實施例1_5和比較例1_3中制備的評價用單元電池的評價結(jié)果示于圖7-8。當(dāng)電流密度設(shè)定為80mA/cm2時實施例1_3和比較例1_2中制備的評價用單元電池的評價結(jié)果示于圖9-10。當(dāng)電流密度設(shè)定為lOOmA/cm2時實施例1_3和實施例5以及比較例1_3中制備的評價用單元電池的評價結(jié)果示于圖11-12。圖7A和圖8為示出在實施例和比較例中的評價用單元電池的微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，40mA/Cm2)之間關(guān)系的圖。從圖7A和圖8中可確認(rèn)，氣體擴散層中微孔的孔容積在特定范圍內(nèi)的實施例1-5的電池中發(fā)電持續(xù)時間變成比具有較小微孔的孔容積的比較例1-3的電池中的發(fā)電持續(xù)時間的四倍長。圖7B為示出在實施例和比較例中的評價用單元電池的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間 (-20°C,40mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖7B示出使用具有最大孔容積的氣體擴散層的比較例 2的電池與孔容積較小的實施例1-4的電池相比不提供發(fā)電持續(xù)時間的增加，并且即使在與不包含吸水材料的比較例1的電池相比較時也幾乎沒有增加發(fā)電持續(xù)時間。從這些結(jié)果中，我們了解到電池的零下啟動性非常少地依賴于氣體擴散層的孔容積的尺寸，微孔的孔容積的尺寸是關(guān)鍵因子。圖9-圖10為示出在實施例和比較例中的評價用單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，80mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖11-圖12為示出在實施例和比較例中的評價用單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(_20°C，lOOmA/cm2)之間關(guān)系的圖。如從圖9-圖12可見，電流密度為80mA/cm2 (圖9_10)或100mA/cm2 (圖11-12)的情況中與電流密度為40mA/cm2(圖7-8)的情況相比發(fā)電持續(xù)時間更短，這是由于產(chǎn)生的水的量增加。確認(rèn)了具有微孔的孔容積3. 6X l(T4Cm7Cm2以上的實施例1、2和5的電池中的發(fā)電持續(xù)時間比不包含吸水材料的比較例1和3的電池的發(fā)電持續(xù)時間更長。換句話說，確認(rèn)了如果電流密度為80mA/cm2則發(fā)電持續(xù)時間為2. 5倍以上，或者如果電流密度為IOOmA/ cm2則發(fā)電持續(xù)時間為1. 3倍以上。[實施例6](1)陽極氣體擴散層的制備微多孔層中活性炭粉(平均粒徑3μπι;原料椰子殼；微孔容積0.85cm7g) 炭黑PTFE的質(zhì)量比選為8 O 2。除了形成在氣體擴散基材上的包含吸水材料的微多孔層(厚度37μπι，每單位面積量18g/cm2)以外，陽極氣體擴散層通過與實施例1 (1)中采用的方法相同的方法制備。當(dāng)氣體擴散層的微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算時，微孔的孔容積為6. 3X l(T4Cm7Cm2。(2)膜電極組件(MEA)和裝配單元電池準(zhǔn)備I3RIMEA(注冊商標(biāo))5580 (購自Japan GORE-TEX)作為由通過一對催化劑層(將催化劑層涂布在電解質(zhì)膜上的狀態(tài))夾持的聚合物電解質(zhì)膜構(gòu)成的組件。準(zhǔn)備CARBEL(注冊商標(biāo))CNW(購自Japan GORE-TEX ；厚度230μπι)作為陰極氣體擴散層(具有 MPL)。除了使用特別的組件和如上所述制備的氣體擴散層以外，評價用單元電池以與實施例1( 中相同方法制備。對于以與上述類似的方式制備的評價用單元電池評價零下啟動性。分別地，當(dāng)電流密度為40mA/cm2時評價結(jié)果示于圖13，當(dāng)電流密度為80mA/cm2時示于圖14，當(dāng)電流密度為100mA/cm2時示于圖15。[實施例7](1)陰極氣體擴散層的制備微多孔層中活性炭粉(平均粒徑3 μ m ；原料椰子殼；微孔容積0. 85cm3/g) 炭黑PTFE的質(zhì)量比選為8 O 2。除了形成在氣體擴散基材上包含吸水材料的微多孔層(厚度46μπι，每單位面積量19g/cm2)以外，陰極氣體擴散層通過與實施例1 (1)中采用的方法相同的方法制備。當(dāng)氣體擴散層的微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算時， 微孔的孔容積為6. 3X 10_4cm7cm2。(2)膜電極組件(MEA)和裝配單元電池準(zhǔn)備I3RIMEA(注冊商標(biāo))5580 (購自Japan GORE-TEX)作為由通過一對催化劑層(將催化劑層涂布在電解質(zhì)膜上的狀態(tài))夾持的聚合物電解質(zhì)膜構(gòu)成的組件。準(zhǔn)備 CARBEL(注冊商標(biāo))CNW(購自Japan GORE-TEX ；厚度230μπι)作為陽極氣體擴散層(具有 MPL)。除了使用特別的組件和如上所述制備的氣體擴散層以外，評價用單元電池以與實施例1( 中相同方法制備。對于以與上述類似的方式制備的評價用單元電池評價零下啟動性。分別地，當(dāng)電流密度為40mA/cm2時評價結(jié)果示于圖13，當(dāng)電流密度為80mA/cm2時示于圖14，當(dāng)電流密度為100mA/cm2時示于圖15。[實施例8](1)陽極和陰極的氣體擴散層的制備。微多孔層中活性炭粉(平均粒徑3μπι;原料椰子殼；微孔容積0.85cm7g) 炭黑PTFE的質(zhì)量比選為8 O 2。除了形成在氣體擴散基材上的包含吸水材料的微多孔層(厚度43μπι，每單位面積量18g/cm2)以外，陽極和陰極氣體擴散層通過與實施例 1(1)中采用的方法相同的方法制備。當(dāng)氣體擴散層的微孔的孔容積以類似于實施例1的情況計算時，微孔的孔容積為6. 3X l(T4Cm7Cm2。(2)膜電極組件(MEA)和裝配單元電池.準(zhǔn)備I3RIMEA (注冊商標(biāo))5580 (購自Japan GORE-TEX)作為由通過一對催化劑層 (將催化劑層涂布在電解質(zhì)膜上的狀態(tài))夾持的聚合物電解質(zhì)膜構(gòu)成的組件。除了使用特別的組件和如上所述制備的氣體擴散層以外，評價用單元電池以與實施例1( 中相同方法制備。對于以與上述類似的方式制備的評價用單元電池評價零下啟動性。分別地，當(dāng)電流密度為40mA/cm2時的評價結(jié)果示于圖13，當(dāng)電流密度為80mA/cm2時的評價結(jié)果示于圖 14，當(dāng)電流密度為lOOmA/cm2時的評價結(jié)果示于圖15。
圖13為示出在各種實施例中制備的評價用單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，40mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖14為示出在各種實施例中的評價用單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，80mA/cm2)之間關(guān)系的圖。圖15為示出在各種實施例中制備的評價用單元電池中微孔的孔容積和發(fā)電持續(xù)時間(-20°C，100mA/Cm2)之間關(guān)系的圖。如從圖13-圖15可見，在電流密度為80mA/cm2 (圖14)或lOOmA/cm2 (圖1 的情況中的發(fā)電持續(xù)時間與電流密度為40mA/cm2(圖13)的情況相比發(fā)電持續(xù)時間更短，這是由于產(chǎn)生的水的量增加。此外，如圖13-15中所示，當(dāng)微孔的孔容積為6. 3X IO-4CmVcm2的氣體擴散層僅具有陽極氣體擴散層(實施例6)、僅具有陰極氣體擴散層(實施例7)、以及具有陽極和陰極氣體擴散層二者(實施例8)時，比較發(fā)電持續(xù)時間。結(jié)果，觀察到最長的發(fā)電持續(xù)時間得自僅具有陽極氣體擴散層的實施例6的評價用單元電池。此外，確認(rèn)了僅具有陰極氣體擴散層的實施例7的評價用單元電池的發(fā)電持續(xù)時間與比較例的發(fā)電持續(xù)時間相比更長，但是與僅具有陽極氣體擴散層的實施例6的評價用單元電池的發(fā)電持續(xù)時間相比更短。此外，確認(rèn)了具有陽極和陰極氣體擴散層二者的實施例8的評價用單元電池的發(fā)電持續(xù)時間與僅具有陽極氣體擴散層的實施例6的評價用單元電池的發(fā)電持續(xù)時間相比更短，但是與僅具有陰極氣體擴散層的實施例7的評價用單元電池的發(fā)電持續(xù)時間相比更長。此外，本申請基于2009年5月1日提交的日本專利申請2009-112320，在此參考其公開內(nèi)容并將其整體作為本申請的一部分。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用氣體擴散層，其微孔的孔容積為2.0X10-4Cm7Cm2以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用氣體擴散層，其進(jìn)一步包括導(dǎo)電性載體和吸水材料，將所述吸水材料負(fù)載于所述導(dǎo)電性載體上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池用氣體擴散層，其包括微多孔層，其中將所述吸水材料負(fù)載于粒狀導(dǎo)電性載體上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池用氣體擴散層，其中將所述微多孔層層壓于包括氣體擴散基材的基材層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池用氣體擴散層，其包括基材層，其中將所述吸水材料負(fù)載于由纖維狀導(dǎo)電性載體構(gòu)成的氣體擴散基材上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池用氣體擴散層，其中將包括粒狀導(dǎo)電性載體的微多孔層層壓于所述基材層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求3、4或6任一項所述的燃料電池用氣體擴散層，其中所述吸水材料的含量在基于所述微多孔層總質(zhì)量的10-80%內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3、4、6或7任一項所述的燃料電池用氣體擴散層，其中所述微多孔層形成為片狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的燃料電池用氣體擴散層，其所述微孔的孔容積為 3. 6 X 10_4cm3/cm2 以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求2-9任一項所述的燃料電池用氣體擴散層，其中所述吸水材料為活性炭。
11.一種燃料電池用氣體擴散電極，其包括權(quán)利要求1-10任一項中所述的氣體擴散層和層壓于所述氣體擴散層上的催化劑層。
12.一種燃料電池用膜電極組件，其包括聚合物電解質(zhì)膜，和夾持所述膜的一對陽極氣體擴散電極和陰極氣體擴散電極，其中所述陽極氣體擴散電極為權(quán)利要求11中所述的氣體擴散電極。
13.一種燃料電池用膜電極組件，其包括聚合物電解質(zhì)膜，和夾持所述膜的一對陽極氣體擴散電極和陰極氣體擴散電極，其中所述陽極氣體擴散電極或所述陰極氣體擴散電極至少之一為權(quán)利要求11中所述的氣體擴散電極。
14.一種燃料電池，其使用權(quán)利要求1-10任一項中所述的氣體擴散層、權(quán)利要求11中所述的氣體擴散電極，或權(quán)利要求12或13中所述的膜電極組件。
15.一種機動車，其安裝有權(quán)利要求14中所述的燃料電池。
全文摘要
公開一種要用于燃料電池的氣體擴散層，其中所述氣體擴散層設(shè)置有能夠進(jìn)一步改進(jìn)在低溫環(huán)境中電池啟動性(零下啟動性)的裝置。具體地公開一種燃料電池用氣體擴散層，其中微孔的孔容積為2.0×10-4cm3/cm2以上。
文檔編號H01M8/10GK102422469SQ20108001953
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月1日
發(fā)明者兒玉一史, 加藤博, 奧山陽三, 屋隆了, 杉野學(xué), 江浜勲, 野見溫雄, 難波隆文, 高根朋幸 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社, 日本戈爾有限公司