專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池用反應(yīng)層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池用反應(yīng)層。
技術(shù)背景
在燃料電池裝置中，過(guò)去在空氣供給系中配置加濕器，通過(guò)控制操作空氣的濕度， 調(diào)整固體電解質(zhì)膜和反應(yīng)膜(以下有時(shí)稱(chēng)為“膜電極結(jié)合體”)的水分狀態(tài)。但是，根據(jù)現(xiàn)在燃料電池的燃料電池所要求的高效率化的觀點(diǎn)，目前的趨勢(shì)是從燃料電池裝置中去除加濕器等輔機(jī)。此時(shí)，有可能不能根據(jù)燃料電池的運(yùn)行環(huán)境，一直控制適當(dāng)?shù)哪る姌O結(jié)合體的水分狀態(tài)。
例如，如果在低加濕環(huán)境下運(yùn)行燃料電池，膜電極結(jié)合體處于干燥狀態(tài)，其質(zhì)子電導(dǎo)率降低，不能充分發(fā)揮發(fā)電性能。另一方面，如果在高加濕環(huán)境下運(yùn)行燃料電池，會(huì)出現(xiàn)所謂的水淹現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)電特性的降低。
為了避免這些現(xiàn)象，有的技術(shù)方案提出，將反應(yīng)層制成二層結(jié)構(gòu)，保持固體電解質(zhì)膜側(cè)的第1層的高濕度化，另一方面，使擴(kuò)散層側(cè)的第2層低濕度化(高排水，高透氣化) (參照專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。
這樣，即使在低加濕環(huán)境下，也能保持第1層的濕潤(rùn)狀態(tài)，在高加環(huán)境下，有效地從第2層排除水分。
另外，作為介紹與本發(fā)明有關(guān)的技術(shù)的文獻(xiàn)，可以參照專(zhuān)利文獻(xiàn)2-專(zhuān)利文獻(xiàn)5。
[專(zhuān)利文獻(xiàn)1]日本專(zhuān)利特開(kāi)2004-192950號(hào)公報(bào)
[專(zhuān)利文獻(xiàn)2]日本專(zhuān)利特開(kāi)2009-272052號(hào)公報(bào)
[專(zhuān)利文獻(xiàn)3]日本專(zhuān)利昭9-M5802號(hào)公報(bào)
[專(zhuān)利文獻(xiàn)4]日本專(zhuān)利特開(kāi)2007-26719號(hào)公報(bào)
[專(zhuān)利文獻(xiàn)5]日本專(zhuān)利特開(kāi)2007-123235號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述結(jié)構(gòu)中，由于第1層與第2層連續(xù)形成，在低加濕環(huán)境下本來(lái)應(yīng)該保持在第1層中的水分?jǐn)U散到處于干燥傾向的第2層中，從而有可能降低質(zhì)子電導(dǎo)率。
為了解決上述問(wèn)題，作為本發(fā)明人員努力研究的結(jié)果，在第1層與第2層之間設(shè)置不載置催化劑的中間層。即，該發(fā)明的第1局面規(guī)定如下。
一種燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于，
作為燃料電池中處于固體電解質(zhì)膜與擴(kuò)散層之間的反應(yīng)層，
具有與上述固體電解質(zhì)膜接觸的第1層、與上述擴(kuò)散層接觸的第2層、和處于上述第1層與上述第2層之間的中間層，上述第1層和第2層具有載置在導(dǎo)電性的單體上的催化劑，上述中間層中不存在催化劑。
根據(jù)這種規(guī)定的第1局面的燃料電池用反應(yīng)層，在低加濕環(huán)境下主要進(jìn)行發(fā)電的第1層的生成水難以擴(kuò)散到第2層，從而能夠抑制氣體導(dǎo)致的排水。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)中間層對(duì)第1層與第2層進(jìn)行物理隔離，從而增加了擴(kuò)散距離。其結(jié)果，只有電解質(zhì)膜和第1層保持在濕潤(rùn)狀態(tài)，即使在低濕度環(huán)境下也能發(fā)揮高性能。
另一方面，在高加濕環(huán)境下，過(guò)剩的生成水?dāng)U散到中間層，從而能夠防止在第1層產(chǎn)生水淹現(xiàn)象。
該發(fā)明的第2局面規(guī)定如下。即，在第1局面規(guī)定的燃料電池用反應(yīng)層中，上述第 1層的保濕性高于上述第2層。
根據(jù)這種規(guī)定的第2局面的燃料電池用反應(yīng)層，通過(guò)使專(zhuān)門(mén)在低加濕環(huán)境下用于燃料電池反應(yīng)的第1層處于高保濕性，更可靠地確保該層的水分。還有，通過(guò)使專(zhuān)門(mén)在低加濕環(huán)境下用于燃料電池反應(yīng)的第2層處于低保濕性，更可靠地防止該層出現(xiàn)水淹現(xiàn)象。
該發(fā)明的第3局面規(guī)定如下。即，在第2局面規(guī)定的燃料電池用反應(yīng)層中，上述中間層的保濕性低于上述第1層但高于上述第2層。
根據(jù)這種規(guī)定的第3局面的反應(yīng)層，中間層更加可靠地發(fā)揮緩沖層的作用。
這樣，希望中間層為無(wú)催化劑層，同時(shí)具有不同于第1層和第2層的保濕性。
該發(fā)明的第4局面規(guī)定如下。即，在第2局面規(guī)定的燃料電池用反應(yīng)層中，上述中間層具有與上述第1層接觸的第3-1層、與上述第2層接觸的第3-2層、和被該第3-1層和第3-2層所夾持的第3-3層，
上述第3-1層的保濕性等于或低于上述第1層、且高于上述第3-2層，上述第3_2 層的保濕性等于或高于上述第2層，上述第3-3層的保濕性高于上述第3-1層和上述3-2層。
在這樣規(guī)定的中間層中，通過(guò)提高作為其中心的層的保濕性，可以獲得作為燃料電池用反應(yīng)層的優(yōu)良性能。例如，在低加濕環(huán)境下，在第1層中生成的生成水被保濕性高的第3-3層吸收(捕獲)，利用該第3-3層防止生成水移動(dòng)到外側(cè)(第3-2層、第2層，即擴(kuò)散層側(cè))的層。由于這些外側(cè)的層容易受到擴(kuò)散層的氣體流動(dòng)的影響，即生成水容易被帶走， 因此通過(guò)在該第3-3層捕獲生成水，防止低加濕環(huán)境下的第1層的過(guò)分干燥，從而確保燃料電池反應(yīng)的高效率。
另外，在第4局面中，希望上述第3-1層除了不具備催化劑外，與上述第1層的特性相同，上述第3-2層除了不具備催化劑外，與上述第2層的特性相同(第5局面)。例如， 利用具有同一細(xì)孔徑(第1細(xì)孔徑)的碳微粒構(gòu)成第3-1層和第1層，利用具有同一細(xì)孔徑(第2細(xì)孔徑)的碳微粒構(gòu)成第3-2層和第2層。與構(gòu)成第3-1層的碳微粒的細(xì)孔徑和構(gòu)成第1層的碳微粒的細(xì)孔徑為不同值的情況相比，水的移動(dòng)在同一細(xì)孔徑的兩層之間更加平滑。在第3-2層和第2層之間，也由于其細(xì)孔徑相同，水的移動(dòng)變得平滑。這樣，可以防止在高加濕環(huán)境下出現(xiàn)水淹現(xiàn)象。
該發(fā)明的第6局面規(guī)定如下。即，在第1-第5的任一局面規(guī)定的燃料電池用反應(yīng)層中，與上述第2層相比，上述第1層的載體的空隙率低，電解質(zhì)比率大，催化劑的載置密度高，或者該電解質(zhì)的EW低。
該第6局面列舉了調(diào)整保濕性的具體方法，通過(guò)采用該方法，可以廉價(jià)且可靠地控制各層的保濕性。
從催化劑載置率的觀點(diǎn)，分析第1層和第2層。
從普及燃料電池的角度出發(fā)，希望減少昂貴的催化劑金屬粒子的使用量。
一般來(lái)說(shuō)，在空氣極側(cè)的反應(yīng)層中，使用大量的催化劑金屬粒子。反應(yīng)層是由載置有催化劑金屬粒子的載體(導(dǎo)電性碳黑粒子等)與電解質(zhì)混煉而成。
本發(fā)明為了降低在大量配置有催化劑金屬粒子的空氣極側(cè)的反應(yīng)層中的催化劑金屬使用量，進(jìn)行了努力研究。
如果減少催化劑金屬粒子的使用量，即減小催化劑金屬粒子相對(duì)于載體的配合比例，會(huì)產(chǎn)生如下的問(wèn)題。
即使減少催化劑金屬粒子，但仍然要求燃料電池具有高輸出特性。這意味著要求每一個(gè)催化劑金屬粒子進(jìn)行更高的反應(yīng)。例如，如果將催化劑金屬粒子的使用量減少到 1/4，同時(shí)維持燃料電池的輸出特性，那么各催化劑金屬粒子就要進(jìn)行4倍的電池反應(yīng)。其結(jié)果，從各催化劑金屬粒子會(huì)生成4倍的生成水。
該生成水會(huì)對(duì)燃料電池的動(dòng)作產(chǎn)生影響，需要提出對(duì)策。
該發(fā)明的其它的局面的目的在于在空氣極側(cè)的反應(yīng)層中減少催化劑金屬使用量， 也能夠保證燃料電池具有充分的輸出性能。本發(fā)明人員發(fā)現(xiàn)利用較少的催化劑金屬粒子運(yùn)行燃料電池時(shí)，反應(yīng)層中的水對(duì)策對(duì)燃料電池的輸出特性具有很大的影響，從而獲得了本發(fā)明。
S卩，該發(fā)明的其它1-1局面規(guī)定如下。
一種燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于，
作為燃料電池中處于固體電解質(zhì)膜與擴(kuò)散層之間的空氣極側(cè)的反應(yīng)層，
具有與上述固體電解質(zhì)膜接觸的第1層、與上述擴(kuò)散層接觸的第2層、和處于上述第1層與上述第2層之間的中間層，上述第1層和第2層具有載置在導(dǎo)電性的單體上的催化劑，且第1層的催化劑載置率大于上述第2層的催化劑載置率，上述中間層中不存在催化劑。
在燃料電池中，在低加濕環(huán)境下持續(xù)運(yùn)行時(shí)，由于反應(yīng)層整體變得干燥，反應(yīng)層中的燃料電池反應(yīng)受到質(zhì)子遷移速率的支配。所以，反應(yīng)層中固體電解質(zhì)膜側(cè)的部分起主要作用。另一方面，在高加濕環(huán)境下，由于反應(yīng)層整體處于水分飽和狀態(tài)，反應(yīng)層中的燃料電池反應(yīng)受到氧擴(kuò)散的支配。所以，反應(yīng)層中擴(kuò)散層側(cè)的部分起主要作用。
這里，本發(fā)明利用中間層將反應(yīng)層中的固體電解質(zhì)膜側(cè)的部分與擴(kuò)散層側(cè)的部分分離開(kāi)來(lái)，且賦予不同的催化劑金屬粒子的載置量。在固體電解質(zhì)膜側(cè)的第1層中，通過(guò)增高其催化劑金屬粒子的載置率，即使在低加濕環(huán)境下也容易維持該第1層的濕潤(rùn)狀態(tài)。這樣，第1層在低加濕環(huán)境下的燃料電池反應(yīng)中能夠充分發(fā)揮作用。另一方面，在擴(kuò)散層側(cè)的第2層中，降低其催化劑金屬粒子的載置率。這樣，可以達(dá)到消減催化劑金屬粒子使用量的效果。還有，通過(guò)降低催化劑金屬粒子的載置率，水發(fā)生源的催化劑金屬粒子的間隔增大， 從而能夠防止水淹現(xiàn)象，確保氧的擴(kuò)散。所以，該第2層在高加濕環(huán)境下的燃料電池反應(yīng)中能夠充分發(fā)揮作用。
第1層與第2層被沒(méi)有催化劑金屬粒子的中間層隔離開(kāi)來(lái)。通過(guò)該中間層對(duì)第1 層與第2層進(jìn)行物理隔離，增加了擴(kuò)散距離，因此在低濕度環(huán)境下，第1層的生成水難以擴(kuò)散到第2層，從而能夠抑制流過(guò)擴(kuò)散層的氣體導(dǎo)致的排水。還有，在高濕度環(huán)境下，能夠進(jìn)一步可靠地防止第1層的水?dāng)U散到中間層所產(chǎn)生的水淹現(xiàn)象。
該發(fā)明的其它1-2局面規(guī)定如下。
其特征在于，在上述其它1-1局面規(guī)定的燃料電池用反應(yīng)層中，上述中間層的拒水性高于上述第1和第2層。
在這種規(guī)定的其它1-2局面的燃料電池用反應(yīng)層中，中間層沒(méi)有催化劑，其自身不會(huì)出現(xiàn)生成水，而且具有高的拒水性，因此促進(jìn)了第1層的水與第2層的水進(jìn)行分離。其結(jié)果，可以維持電解質(zhì)膜與第1層的濕潤(rùn)狀態(tài)，發(fā)揮低加濕環(huán)境下的高性能。
另一方面，在高加濕環(huán)境下，在第1層中生成的過(guò)剩的生成水具有壓力，在該壓力作用下，生成水容易通過(guò)中間層。通過(guò)后，利用中間層的拒水性防止其逆流。這樣，能夠可靠地防止第1層中出現(xiàn)水淹現(xiàn)象。
從催化劑金屬粒子的選擇和耐久性的觀點(diǎn)，分析第1層和第2層。
專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，反應(yīng)層具有多層結(jié)構(gòu)，與電解質(zhì)膜接觸的第1層具有規(guī)定的厚度， 同時(shí)載置在第1層的催化劑具有高耐久性。為了提高催化劑的耐久性，采用大粒徑的催化劑金屬粒子。
但是，大徑的催化劑金屬粒子雖然具有高的耐久性，然而采用大徑的催化劑金屬粒子后，單位重量的表面積減少，為了獲取規(guī)定的催化活性，與載置小徑的催化劑金屬粒子的情況相比，增大了使用量(重量)。另外，由于催化劑金屬粒子是昂貴的材料，這會(huì)增加反應(yīng)層、以及燃料電池的制造成本。
這里，本發(fā)明的目的在于在不增加催化劑金屬粒子的使用量(重量)的前提下，確保燃料電池的高輸出性和高耐久性。
一般來(lái)說(shuō)，燃料電池在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，催化劑金屬粒子會(huì)從反應(yīng)層游離出來(lái)，并移動(dòng)到固體電解質(zhì)膜處。這是由于生成水容易滯留在反應(yīng)層的靠近固體電解質(zhì)膜一側(cè)，該部分的質(zhì)子電導(dǎo)性增高，其結(jié)果，該部分的反應(yīng)層受到腐蝕作用。在反應(yīng)層處受到腐蝕作用的不僅是催化劑金屬粒子，載體也會(huì)受到腐蝕作用。
本發(fā)明人員注意到這種載體，提出了本發(fā)明。即，該發(fā)明的其它2-1局面規(guī)定如下。
一種燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于，
作為燃料電池中處于固體電解質(zhì)膜與擴(kuò)散層之間的空氣極側(cè)的反應(yīng)層，
具有與上述固體電解質(zhì)膜接觸的第1層和與上述擴(kuò)散層接觸的第2層，上述第1 層的第1載體與上述第2層的第2載體為不同的材料，且上述第1載體的耐久性高于上述第2載體的耐久性。
根據(jù)這樣規(guī)定的其它2-1局面的發(fā)明，在反應(yīng)層中，靠近固體電解質(zhì)膜的部分(第 1層)由耐久性高的載體(第1載體)形成，因此即使在富質(zhì)子的環(huán)境中也難以腐蝕。所以，能夠穩(wěn)定地載置催化劑金屬粒子。這樣，即使沒(méi)有特別增加催化劑金屬粒子自身的耐久性(沒(méi)有使催化劑粒子大徑化)，也能夠維持反應(yīng)層的特性。
作為該第1載體，可以采用類(lèi)金剛石碳或玻璃碳(第2局面)。該材料與作為載體的常用的碳黑粒子相比，具有更高的化學(xué)和物理穩(wěn)定性。
在反應(yīng)層中位于擴(kuò)散層側(cè)的第2層的載體(第2載體)并沒(méi)有什么限制，但考慮到高加濕環(huán)境下的排水性和材料的成本等，希望采用常用的炭黑粒子。希望第2載體的排水性高于(保濕性低于)第1載體。
另外，希望在第1層與第2層之間設(shè)置中間層。該中間層是被電解質(zhì)覆蓋的碳黑粒子(希望采用與第2載體相同或同類(lèi)的碳黑粒子)，不存在催化劑。
通過(guò)在第1層與第2層之間設(shè)置中間層，對(duì)第1層與第2層進(jìn)行物理隔離，增加擴(kuò)散距離，在低濕度環(huán)境下，第1層的生成水難以擴(kuò)散到第2層，從而能夠抑制流過(guò)擴(kuò)散層的氣體導(dǎo)致的排水。還有，在高濕度環(huán)境下，能夠進(jìn)一步可靠地防止第1層的水?dāng)U散到中間層所產(chǎn)生的水淹現(xiàn)象。
作為第1層的載體(第1載體)，采用類(lèi)金剛石碳。類(lèi)金剛石碳是碳的非晶，本發(fā)明中作為載體所使用的類(lèi)金剛石碳是具有導(dǎo)電性的微粒。在該類(lèi)金剛石碳上載置催化劑金屬粒子。
也可以采用玻璃碳的微粒來(lái)代替類(lèi)金剛石碳。
在第1層的載體(第2載體)中，一般可以采用炭黑粒子，但也可以采用氧化錫、氧化鈦等。
在上述第3局面中，希望設(shè)置在第1層與第2層之間的中間層具有不同于第1層和第2層的親水性。
從拒水性的觀點(diǎn)來(lái)看，該中間層的特性如下。
該發(fā)明的其它3-1局面規(guī)定如下。
一種燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于，
作為燃料電池中處于固體電解質(zhì)膜與擴(kuò)散層之間的反應(yīng)層，
具有與上述固體電解質(zhì)膜接觸的第1層、與上述擴(kuò)散層接觸的第2層、和處于上述第1層與上述第2層之間的中間層，上述第1層和第2層具有催化劑金屬粒子，上述中間層中不存在催化劑，且該中間層的拒水性高于上述第1層和第2層。
在燃料電池中，在低加濕環(huán)境下持續(xù)運(yùn)行時(shí)，由于反應(yīng)層整體變得干燥，反應(yīng)層中的燃料電池反應(yīng)受到質(zhì)子遷移速率的支配。所以，反應(yīng)層中固體電解質(zhì)膜側(cè)的部分起主要作用。另一方面，在高加濕環(huán)境下，由于反應(yīng)層整體處于水分飽和狀態(tài)，反應(yīng)層中的燃料電池反應(yīng)受到氧擴(kuò)散的支配。所以，反應(yīng)層中擴(kuò)散層側(cè)的部分起主要作用。還有，在高加濕環(huán)境下，防止水淹現(xiàn)象也很重要。
因此，本發(fā)明中，利用中間層隔離反應(yīng)層的固體電解質(zhì)膜側(cè)的部分(第1層)與擴(kuò)散層側(cè)的部分(第2層)，從該中間層中排出催化劑金屬，且使其具有高拒水性。
第1層與第2層被沒(méi)有催化劑金屬粒子的中間層隔離開(kāi)來(lái)。通過(guò)該中間層對(duì)第1 層與第2層進(jìn)行物理隔離，增加了擴(kuò)散距離，因此在低濕度環(huán)境下，第1層的生成水難以擴(kuò)散到第2層，從而能夠抑制流過(guò)擴(kuò)散層的氣體導(dǎo)致的排水。還有，由于該中間層具有高拒水性，促進(jìn)了第1層的水與第2層的水進(jìn)行分離。其結(jié)果，在低濕度環(huán)境下，維持了支配燃料電池反應(yīng)的第1層的濕潤(rùn)狀態(tài)，從而穩(wěn)定了低濕度環(huán)境下的燃料電池的性能。
另一方面，在高加濕環(huán)境下，即使在第1層與第2層之間存在中間層，由于在第1 層中生成的過(guò)剩的生成水具有壓力，在該壓力作用下，生成水容易通過(guò)中間層。通過(guò)后，利用中間層的拒水性防止其逆流。這樣，能夠更可靠地防止第1層中出現(xiàn)水淹現(xiàn)象。
該發(fā)明的其它3-2局面規(guī)定如下。艮P，
在第1局面規(guī)定的燃料電池用反應(yīng)層中，第1層的保濕性高于上述第2層。
根據(jù)這種規(guī)定的第2局面的燃料電池用反應(yīng)層，保濕性高的第1層與保濕性低的第2層被無(wú)催化劑且高拒水性的中間層所分離。由于使燃料電池在低加濕環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的支配燃料電池反應(yīng)的第1層的保濕性設(shè)定的較高，從而維持了其濕潤(rùn)狀態(tài)。這樣，可以穩(wěn)定低加濕環(huán)境下的燃料電池的動(dòng)作。
燃料電池在高加濕環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，通過(guò)設(shè)定較低的第2層的保濕性，從而容易從其中排水。其結(jié)果，促進(jìn)了從第1層到第2層的水的移動(dòng)，能夠有效地防止在第1層出現(xiàn)水淹現(xiàn)象。


圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施形態(tài)的燃料電池1的截面圖。
圖2是表示細(xì)孔徑D與吸水性或排水性(壓力P)之間關(guān)系的概念圖。
圖3表示低加濕環(huán)境下燃料電池1的動(dòng)作特性。
圖4表示高加濕環(huán)境下燃料電池1的動(dòng)作特性。
圖5是表示實(shí)施例2的燃料電池100的結(jié)構(gòu)的概念圖。
圖6是表示實(shí)施例3的燃料電池200的結(jié)構(gòu)的概念圖。
圖7表示低加濕環(huán)境實(shí)施例2和實(shí)施例3的燃料電池100、200的動(dòng)作特性。
圖8表示高加濕環(huán)境實(shí)施例2和實(shí)施例3的燃料電池100、200的動(dòng)作特性。
符號(hào)說(shuō)明
1、100、200燃料電池，2固體電解質(zhì)膜，10氫極，11反應(yīng)層，16擴(kuò)散層，20空氣極， 21反應(yīng)層，12,22第1層，130,230中間層，14,24第2層
實(shí)施方式
圖1表示本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的燃料電池1。
該燃料電池1中，利用氫極10和空氣極20，夾持固體電解質(zhì)膜2。
固體電解質(zhì)膜2中，可以采用質(zhì)子導(dǎo)電性的高分子材料，例如Nafion (杜邦公司商標(biāo)名，以下類(lèi)同)等的氟系聚合物。
氫極10具有反應(yīng)層11和擴(kuò)散層16，順次向固體電解質(zhì)膜2上堆積。反應(yīng)層11為在碳粒子等的導(dǎo)電性載體上載置鉬等催化劑，并利用電解質(zhì)涂敷而成。擴(kuò)散層16由碳紙、 碳布、碳?xì)值染哂袑?dǎo)電性且氣體擴(kuò)散性能的材料構(gòu)成。
空氣極20也具有反應(yīng)層21和擴(kuò)散層26。反應(yīng)層21和擴(kuò)散層沈的基本結(jié)構(gòu)與氫極10的這些結(jié)構(gòu)相同。
在該發(fā)明中，如圖1所示，空氣極20的反應(yīng)層21的結(jié)構(gòu)為從固體電解質(zhì)膜2側(cè)起， 順次堆積第1層22、中間層23和第2層M。
第1層22和第2層M中，均在載體上載置有催化劑。中間層23則沒(méi)有載置任何催化劑。
在第1層22和第2層對(duì)載置的催化劑金屬粒子中，可以采用常用的鉬鈷合金等。 在第1層22載置的催化劑金屬粒子和在第2層M載置的催化劑金屬粒子，可以相同，也可以不同。
中間層23雖然沒(méi)有催化劑，但為了確保第1層22和第2層M的催化劑的活性，要求具有導(dǎo)電性、質(zhì)子遷移性和氧的擴(kuò)散性。因此，中間層23利用由導(dǎo)電性且多孔質(zhì)的微粒構(gòu)成的基體與電解質(zhì)混煉而成。作為該基體，可以采用上述的催化劑金屬粒子的載體(碳黑粒子等)。從讓水平滑移動(dòng)的角度，希望中間層的基體的材料為與第1層和第2層的載體的材料相同或同類(lèi)的材料。
電解質(zhì)只要是容許質(zhì)子遷移的材料，可以任意選擇。
設(shè)定第1層22的保濕性高于第2層對(duì)。
通過(guò)控制基材、電解質(zhì)和催化劑的各特性，對(duì)各層的保濕性進(jìn)行控制。
例如，通過(guò)提高碳粒子構(gòu)成的基材的空隙率，減小保濕性。同樣，通過(guò)提高載體的拒水性，減小保濕性。
通過(guò)提高電解質(zhì)的配合比例，提高保濕性。另外，通過(guò)提高電解質(zhì)的EW(lmol磺酸的聚合物的干燥重量)，減小保濕性。
還有，通過(guò)提高催化劑金屬的載置密度，也可以減薄反應(yīng)層，提高生成水的產(chǎn)生密度，防止干燥。
另外，通過(guò)采用親水性的催化劑，可以維持高的保濕性。作為親水性的催化劑，可以舉出PtCo催化劑。還有，通過(guò)對(duì)包括PtCo催化劑的常用的催化劑進(jìn)行氧化處理，能夠提高其親水性。
考慮上述情況，S卩，通過(guò)改變基材、電解質(zhì)和催化劑中至少一個(gè)的特性，可以使第1 層22的保濕性高于第2層M的保濕性。
在低濕度環(huán)境下，為了獲得高性能，重要的是抑制生成水的排水，保證電解質(zhì)膜、 以及對(duì)發(fā)電發(fā)揮作用的電解質(zhì)膜旁的反應(yīng)層的濕潤(rùn)狀態(tài)。第2層M由于靠近氣體流路，容易被氣體帶走生成水，因此在低濕度環(huán)境下，希望干脆不產(chǎn)生生成水，即、不發(fā)電。此時(shí)，在靠近電解質(zhì)膜的第1層22與靠近流路的第2層M之間，設(shè)置沒(méi)有催化劑的中間層23，使第 1層與第2層進(jìn)行物理隔離，從而第1層的生成水被中間層隔開(kāi)距離，難以擴(kuò)散到第2層，可以降低被氣體排走的水量。其結(jié)果，只將電解質(zhì)膜和第1層保持在濕潤(rùn)狀態(tài)，即使在低濕度環(huán)境下也能發(fā)揮高性能。
另一方面，為了在高濕度環(huán)境下獲得高性能，重要的是防止生成水導(dǎo)致的細(xì)孔堵塞，以在反應(yīng)層整體進(jìn)行發(fā)電。設(shè)置有中間層時(shí)，即使第1層22為高保濕性，由于過(guò)剩的生成水?dāng)U散到中間層，從而可以防止在第1層22出現(xiàn)水淹現(xiàn)象。
為了確保上述效果，希望中間層23具有0. 1-10 μ m左右的厚度。雖然中間層23 沒(méi)有載置催化劑，但在制造工藝時(shí)催化劑會(huì)從第1層22或第2層M擴(kuò)散過(guò)來(lái)，因此中間層的定義包括這種不是有意產(chǎn)生的催化劑的存在。
可以設(shè)定第1層22的催化劑金屬粒子的載置密度高于第2層M的催化劑金屬粒子的載置密度。
可以采用任意方法，調(diào)整催化劑金屬粒子的載置密度。
當(dāng)?shù)?層22和第2層M分別是在同一載體上載置同一種催化劑金屬粒子時(shí)，可以將各層的單位體積中包含的催化劑金屬粒子的重量比作為載置密度的指標(biāo)。
第1層22和第2層M采用粒徑不同的催化劑金屬粒子時(shí)，可以將單位體積中包含的催化劑金屬粒子的表面積作為載置密度的指標(biāo)。
另外，考慮到希望削減催化劑金屬的使用量的一系列技術(shù)開(kāi)發(fā)的潮流，希望盡量減小催化劑金屬粒子的粒徑。所以，希望應(yīng)該載置到第1層22和第2層M的催化劑金屬粒子盡量采用小徑、即同一粒徑的物品。
希望中間層23的特性不同于第1層22和第2層24。作為其特性之一，前已敘述，希望中間層23的拒水性高于第1層22和第2層M的拒水性。
作為提高中間層23的拒水性的方法，可以有(1)將電解質(zhì)的親水基與基材結(jié)合， 以表現(xiàn)出其疏水基，以及/或者( 減小細(xì)孔徑。
(1)將電解質(zhì)相的親水基與基材結(jié)合，以表現(xiàn)出其疏水基
通過(guò)使電解質(zhì)相的表面呈現(xiàn)疏水性，提高中間層的拒水性。
使電解質(zhì)相的表面呈現(xiàn)疏水性的方法有如下幾種。
(1-1)與第1和第2層22、24的基材相比，增大中間層23的基材的被表面積。
用作基材的炭黑粒子的表面存在親水基，該親水基通過(guò)電子親和力與電解質(zhì)的親水基進(jìn)行結(jié)合。其結(jié)果，在覆蓋基材的電解質(zhì)的表面?zhèn)瘸尸F(xiàn)出疏水性。此時(shí)，如果增大基材的比表面積，在電解質(zhì)中會(huì)有更多的親水基與基材結(jié)合，呈現(xiàn)出來(lái)的疏水基的比例也增多。 因此，提高了由基材和電解質(zhì)的混煉體構(gòu)成的中間層的拒水性。
(1-2)與第1和第2層22、24相比，減小中間層23的電解質(zhì)比率(電解質(zhì)/(基材 +電解質(zhì)))。
通過(guò)減小電解質(zhì)比率，電解質(zhì)的更多的親水基與基材結(jié)合，所呈現(xiàn)的疏水基的比例增多。
(1-3)與第1和第2層22,24的電解質(zhì)相比，增大中間層23的電解質(zhì)的Eff(Imol 磺酸的聚合物的干燥重量)。
EW增大后，電解質(zhì)的磺酸基(親水基)的密度變小。通過(guò)采用EW大的電解質(zhì)(磺酸基密度小的電解質(zhì))，電解質(zhì)相的表面會(huì)有更多的疏水相。
(2)基體中的細(xì)孔的孔徑D與吸水性或排水性(壓力P)的關(guān)系如圖2和公式1所不。
P = -4 σ cos θ /D公式 1
根據(jù)公式1，當(dāng)接觸角θ大于90° (排水性)時(shí)，細(xì)孔的孔徑D越小，壓力P越大 (當(dāng)然，不包括接觸角θ小于90°。細(xì)孔吸水堵塞后，會(huì)阻礙氧的供給)。這樣，希望與第 1和第2層22、24的基材相比，減小中間層23的基材的細(xì)孔徑。
還有，中間層23的膜厚小于第1和第2層22、24。減小具有拒水性的中間層23的厚度，是為了不讓該中間層23在高加濕環(huán)境下成為生成水的移動(dòng)的過(guò)剩阻力。
在低濕度環(huán)境下，為了獲得高性能，重要的是抑制流過(guò)擴(kuò)散層的氣體導(dǎo)致的生成水的排水，保證固體電解質(zhì)膜、以及對(duì)發(fā)電發(fā)揮作用的固體電解質(zhì)膜旁的反應(yīng)層的濕潤(rùn)狀態(tài)。此時(shí)，在靠近固體電解質(zhì)膜的第1層22與靠近氣體流路的第2層對(duì)之間，設(shè)置沒(méi)有催化劑且高拒水性的中間層23，使第1層22與第2層M進(jìn)行物理隔離，從而第1層22的生成水被拒水性的中間層23檔回，難以擴(kuò)散到第2層Μ。換句話說(shuō)，拒水性的中間層23阻斷了第1層22與第2層M之間的水的連通，第2層M保持干燥，且不會(huì)影響到第1層22。 這樣，將電解質(zhì)膜和第1層22保持在濕潤(rùn)狀態(tài)，即使在低濕度環(huán)境下也能發(fā)揮高性能。特別是減小了中間層23的基材的細(xì)孔后，可以抑制第1層22側(cè)的水分蒸發(fā)，能夠更加有效地抑制第1層22出現(xiàn)過(guò)分干燥。
另一方面，為了在高濕度環(huán)境下獲得高性能，重要的是防止生成水導(dǎo)致的細(xì)孔堵塞，以在反應(yīng)層整體進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)?shù)?層22的生成水出現(xiàn)過(guò)剩時(shí)，在第1層22上加有壓力 (水壓)，即使中間層23為高拒水性，加壓下的生成水會(huì)毫無(wú)問(wèn)題地從其透過(guò)。另一方面，10由于利用中間層23的拒水性防止透過(guò)的生成水出現(xiàn)逆流，其結(jié)構(gòu)，透過(guò)中間層23的水經(jīng)由第2層M，被有效地去除。這樣，可以防止在第1層22出現(xiàn)水淹現(xiàn)象。
為了確保上述效果，希望中間層23具有0. 1-10 μ m左右的厚度。雖然中間層23 沒(méi)有載置催化劑，但在制造工藝時(shí)催化劑會(huì)從第1層22或第2層M擴(kuò)散過(guò)來(lái)，因此中間層的定義包括這種不是有意產(chǎn)生的催化劑的存在。
下面說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。
實(shí)施例的反應(yīng)層21的形成方式如下。
首先，準(zhǔn)備構(gòu)成反應(yīng)層21的各層22、23、M的漿料。
第1 層 22 的漿料為在作為載體的 KetjenBlack 的 EC600JD (Ket jen 'Black 'Inter national (股份有限公司)的商標(biāo)名，以下類(lèi)同)中載置作為催化劑的50wt%的PtCo合金而成。另外，Pt與Co的摩爾比為1 3。電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
中間層 23 的菜料作為載體采用 KetjenBlack 的 EC600JD (Ket jen 'Black 'Interna tionaK股份有限公司)的商標(biāo)名，以下類(lèi)同)，將其分散在Nafion的5wt%溶液中。碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
第2層M的漿料為在KetjenBlack的EC600JD中載置60襯％的Pt催化劑而成。 另夕卜，電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 0. 8。
上述中，比較第1層22和第2層對(duì)，第1層22的保濕性高于第2層對(duì)。還有，第 1層22的電解質(zhì)相對(duì)于基材的配合比例大于第2層M。
從第2層M的漿料開(kāi)始，順次向擴(kuò)散層沈堆積并進(jìn)行干燥，形成圖1所示的反應(yīng)層21。
氫極10側(cè)也一樣，向擴(kuò)散層16的表面堆積反應(yīng)層11。
將氫極10和空氣極20的各反應(yīng)層11、21貼向電解質(zhì)膜2，構(gòu)成圖1的燃料電池 1。
圖3表示所獲得的燃料電池1的低加濕環(huán)境下的輸出特性。同樣，圖4表示高加濕環(huán)境下的輸出特性。另外，比較例1為利用低保濕性的第2層M構(gòu)成反應(yīng)層21整體的例子，比較例2為利用高保濕性的第1層22構(gòu)成反應(yīng)層21整體的例子，比較例3為從反應(yīng)層21中除去中間層23的例子。
圖3的低加濕環(huán)境是利用干燥空氣作為操作空氣的情況。圖4的高加濕環(huán)境是利用加濕空氣作為操作空氣的情況。
根據(jù)圖3和圖4的結(jié)果，利用在高保濕性的第1層22與低保濕性的第2層M之間設(shè)置無(wú)催化劑的中間層23的實(shí)施例的燃料電池，在高加濕環(huán)境和低加濕環(huán)境均呈現(xiàn)優(yōu)良的特性。
圖5表示其它實(shí)施例2的燃料電池100。另外，與圖1所示的要素相同的要素均采用同一符號(hào)，故省略其說(shuō)明。
在該燃料電池200中，中間層230具有三層結(jié)構(gòu)。該中間層230由與高保濕性的第1層22接觸的第3-1層231、與低保濕性的第2層M接觸的第3_2層232、和被第3_1 層231與第3-2層232夾持的第3_3層233構(gòu)成。
第3-1層231除了不具備催化劑外，與第1層22相同。S卩，將KetjenBlack的EC600JD與作為電解質(zhì)的Nafion進(jìn)行混合，碳與電解質(zhì)的重量比為1 1。這樣，該第3_1 層231的保濕性基本上與第1層22相同。
第3-2層232除了不具備催化劑外，與第2層M相同。S卩，將KetjenBlack的 EC600JD與作為電解質(zhì)的Nafion進(jìn)行混合，碳與電解質(zhì)的重量比為1 0.8。這樣，該第 3-2層232的保濕性基本上與第2層M相同。
第3-3層233的保濕性高于第3_1層231和第3_2層232。具體來(lái)說(shuō)，將 KetjenBlack的EC600JD與氧化鈦進(jìn)行混合，然后與作為電解質(zhì)的Nafion進(jìn)行混合，碳與電解質(zhì)的重量比為1 1.1。
作為提高不含有催化劑的層的保濕性的方法，除了混合上述氧化鈦、硅膠等親水性材料外，也可以采用對(duì)碳進(jìn)行熱處理或者氧化處理以增加親水性的方法。另外，也可以混合經(jīng)過(guò)氧化處理的碳與親水性材料。還有，也可以取代碳，而采用氧化錫、氧化鋅等導(dǎo)電性的親水性材料。
該中間層230為將構(gòu)成其的各層231、232、233的漿料從第3_2層開(kāi)始，順次堆積到第2層M并進(jìn)行干燥，從而得到圖5所示的三層結(jié)構(gòu)。
在圖5的例中，氫極10側(cè)的反應(yīng)層11為在作為載體的KetjenBlack的EC600JD 中載置60wt%的Pt催化劑而成。電解質(zhì)采用Nafion的5wt %溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
圖6表示其它實(shí)施例3的燃料電池200。另外，與圖5所示的要素相同的要素均采用同一符號(hào)，故省略其說(shuō)明。
在該燃料電池200中，從擴(kuò)散層16側(cè)起，順次堆積低保濕性的第2層14、中間層 130和高保濕性的第1層12，形成氫極10側(cè)的反應(yīng)層11。這里，中間層130又具有三層結(jié)構(gòu)。即，該中間層130由與高保濕性的第1層12接觸的第3-1層131、與低保濕性的第2層 14接觸的第3-2層132、和被第3-1層131與第3_2層132夾持的第3_3層133構(gòu)成。
氫極側(cè)的反應(yīng)層11中，第1層12采用如下方法形成。在作為載體的KetjenBlack 的EC600JD (Ketjen -Black dnternational (股份有限公司)的商標(biāo)名，以下類(lèi)同)中載置 60wt%的Pt催化劑。電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
第2層14的漿料為在KetjenBlack的EC600JD中載置40襯％的Pt催化劑而成。 另夕卜，電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 0. 8。
中間層130的結(jié)構(gòu)如下。
第3-1層131除了不具備催化劑外，與第1層12相同。S卩，將KetjenBlack的 EC600JD與作為電解質(zhì)的Nafion進(jìn)行混合，碳與電解質(zhì)的重量比為1 1。這樣，該第3_1 層131的保濕性基本上與第1層12相同。
第3-2層132除了不具備催化劑外，與第2層14相同。S卩，將KetjenBlack的 EC600JD與作為電解質(zhì)的Nafion進(jìn)行混合，碳與電解質(zhì)的重量比為1 0.8。這樣，該第 3-2層132的保濕性基本上與第2層14相同。
第3-3層133的保濕性高于第3_1層131和第3_2層132。具體來(lái)說(shuō)，將 KetjenBlack的EC600JD與氧化鈦進(jìn)行混合，然后與作為電解質(zhì)的Nafion進(jìn)行混合，碳與電解質(zhì)的重量比為1 1.1。
該中間層130為將構(gòu)成其的各層131、132、133的漿料從第3_2層開(kāi)始，順次堆積12到第2層14并進(jìn)行干燥，從而得到圖5所示的三層結(jié)構(gòu)。
作為提高不含有催化劑的層的保濕性的方法，除了混合上述氧化鈦、硅膠等親水性材料外，也可以采用對(duì)碳進(jìn)行熱處理或者氧化處理以增加親水性的方法。另外，也可以混合經(jīng)過(guò)氧化處理的碳與親水性材料。還有，也可以取代碳，而采用氧化錫、氧化鋅等導(dǎo)電性的親水性材料。
圖7表示圖5所示的實(shí)施例2的燃料電池100和圖6所示的實(shí)施例3的燃料電池 200的低加濕環(huán)境下的輸出特性。同樣，圖8表示高加濕環(huán)境下的輸出特性。圖7和圖8的比較例4是在實(shí)施例3的燃料電池中，利用低保濕性的第2層14J4構(gòu)成氫極10和空氣極 20的各反應(yīng)層11、21整體的例子。
根據(jù)圖7和圖8的結(jié)果，通過(guò)采用三層結(jié)構(gòu)的中間層，確認(rèn)提高了尤其是在低加濕環(huán)境下的燃料電池的輸入特性。尤其是對(duì)于在空氣極和氫極的各反應(yīng)層中設(shè)置中間層、 且使其中間層具有三層結(jié)構(gòu)的圖6的實(shí)施例，在高加濕環(huán)境和低加濕環(huán)境均呈現(xiàn)優(yōu)良的特性。
在上述例中，在各反應(yīng)層11、21的全部面積上采用了由第1層-中間層-第2層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，但也可以只在面方向的一部分，采用該結(jié)構(gòu)。
從其它觀點(diǎn)來(lái)看本發(fā)明，可以把握住的是，在反應(yīng)層的厚度方向，設(shè)置有作為燃料電池用反應(yīng)層的無(wú)催化劑層。
可以通過(guò)調(diào)整載體的空隙率，來(lái)控制各層的保濕性。
為了提高空隙率，減小其保濕性，其方法有利用水或乙醇稀釋漿料后再涂敷到擴(kuò)散層，減小電解質(zhì)/載體的比率，提高催化劑載置密度，進(jìn)行凍結(jié)干燥等。
還有，通過(guò)粉碎催化劑，可以提高層整體的空隙率。
接著，說(shuō)明與本發(fā)明的其它1-1局面對(duì)應(yīng)的實(shí)施形態(tài)。
該實(shí)施例的反應(yīng)層的結(jié)構(gòu)與圖1相同。
該實(shí)施例的反應(yīng)層21的形成方式如下。
首先，準(zhǔn)備構(gòu)成反應(yīng)層21的各層22、23、M的漿料。
第1層22的漿料為在作為載體的炭黑粒子中載置作為催化劑的50wt%的Pt而成。電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
中間層23的漿料中，作為基體采用炭黑粒子，將其分散在Nafion的5wt%溶液中。 基體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
第2層M的漿料為在炭黑粒子中載置40wt%的Pt催化劑而成。另外，電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
上述中，比較第1層22和第2層對(duì)，第1層22的催化劑載置率大于第2層24。 中間層23的載體的細(xì)孔的平均開(kāi)口徑小于第1和第2層22、24的載體。從該點(diǎn)可知，中間層23的拒水性高于第1和第2層22、24。而且，該中間層23的比表面積大于第1和第2層 22,24,另一方面，載體與電解質(zhì)的配合比在第1和第2層22、24以及中間層23中均維持同一值，因此從該點(diǎn)也可知，中間層23的拒水性高于第1和第2層22、24。
從第2層M的漿料開(kāi)始，順次向擴(kuò)散層沈堆積并進(jìn)行干燥，形成圖1所示的反應(yīng)層21。
氫極10側(cè)也一樣，向擴(kuò)散層16的表面堆積反應(yīng)層11。
將氫極10和空氣極20的各反應(yīng)層11、21貼向電解質(zhì)膜2，構(gòu)成圖1的燃料電池 1。
在上述例中，在反應(yīng)層21的全部面積上采用了由第1層-中間層-第2層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，但也可以只在面方向的一部分，采用該結(jié)構(gòu)。
從其它觀點(diǎn)來(lái)看本發(fā)明，可以把握住的是，在厚度方向的催化劑載置率不均勻的反應(yīng)層中，在反應(yīng)層的厚度方向，設(shè)置有作為燃料電池用反應(yīng)層的無(wú)催化劑層。
說(shuō)明與本發(fā)明的其它2-1局面對(duì)應(yīng)的實(shí)施形態(tài)。
該實(shí)施例的反應(yīng)層的結(jié)構(gòu)與圖1相同。
該實(shí)施例的反應(yīng)層21的形成方式如下。
首先，準(zhǔn)備構(gòu)成反應(yīng)層21的各層22、23、M的漿料。
第1層22的漿料為在作為載體的類(lèi)金剛石炭的微粒中載置作為催化劑的50wt% 的Pt而成。電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
中間層23的漿料中，作為基體采用炭黑粒子，將其分散在Nafion的5wt%溶液中。 基體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
第2層M的漿料為在炭黑粒子中載置40wt%的Pt催化劑而成。另外，電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
上述中，比較第1層22和第2層對(duì)，第1層22的催化劑載置率大于第2層M。這樣，第1層22的保濕性高于第2層對(duì)。
中間層23的載體的細(xì)孔的平均開(kāi)口徑小于第1和第2層22、24的載體。從該點(diǎn)可知，中間層23的拒水性高于第1和第2層22、24。而且，該中間層23的比表面積大于第 1和第2層22、24，另一方面，載體與電解質(zhì)的配合比在第1和第2層22、24以及中間層23 中均維持同一值，因此從該點(diǎn)也可知，中間層23的拒水性高于第1和第2層22、24。
從第2層M的漿料開(kāi)始，順次向擴(kuò)散層沈堆積并進(jìn)行干燥，形成圖1所示的反應(yīng)層21。
氫極10側(cè)也一樣，向擴(kuò)散層16的表面堆積反應(yīng)層11。
將氫極10和空氣極20的各反應(yīng)層11、21貼向電解質(zhì)膜2，構(gòu)成圖1的燃料電池 1。
說(shuō)明與本發(fā)明的其它3-1局面對(duì)應(yīng)的實(shí)施形態(tài)。
該實(shí)施例的反應(yīng)層的結(jié)構(gòu)與圖1相同。
該實(shí)施例的反應(yīng)層21的形成方式如下。
第1 層 22 的漿料為在作為載體的 KetjenBlack 的 EC600JD (Ket jen 'Black 'Inter national (股份有限公司)的商標(biāo)名，以下類(lèi)同)中載置作為催化劑的50wt%的PtCo合金而成。另外，Pt與Co的摩爾比為1 3。電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
中間層23的漿料中，作為基體采用炭黑粒子，將其分散在Nafion的5wt%溶液中。 基體與電解質(zhì)的重量比為1 1。
第2層M的漿料為在KetjenBlack的EC600JD中載置60wt%的Pt催化劑而成。 另夕卜，電解質(zhì)采用Nafion的5wt%溶液，碳載體與電解質(zhì)的重量比為1 0. 8。
上述中，比較第1層22和第2層對(duì)，第1層22的保濕性高于第2層24。還有，第1層22的電解質(zhì)相對(duì)于基材的配合比例大于第2層M。
中間層23的載體的細(xì)孔的平均開(kāi)口徑小于第1和第2層22、24的載體。從該點(diǎn)可知，中間層23的拒水性高于第1和第2層22、24。而且，該中間層23的比表面積大于第 1和第2層22、24，另一方面，載體與電解質(zhì)的配合比在第1和第2層22、24以及中間層23 中均維持同一值，因此從該點(diǎn)也可知，中間層23的拒水性高于第1和第2層22、24。
從第2層M的漿料開(kāi)始，順次向擴(kuò)散層沈堆積并進(jìn)行干燥，形成圖1所示的反應(yīng)層21。
氫極10側(cè)也一樣，向擴(kuò)散層16的表面堆積反應(yīng)層11。
將氫極10和空氣極20的各反應(yīng)層11、21貼向電解質(zhì)膜2，構(gòu)成圖1的燃料電池 1。
可以通過(guò)調(diào)整載體的空隙率，來(lái)控制各層的保濕性。
為了提高空隙率，減小其保濕性，其方法有利用水或乙醇稀釋漿料后再涂敷到擴(kuò)散層，減小電解質(zhì)/載體的比率等。
在上述例中，在反應(yīng)層21的全部面積上采用了由第1層-中間層-第2層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，但也可以只在面方向的一部分，采用該結(jié)構(gòu)。
從其它觀點(diǎn)來(lái)看本發(fā)明，可以把握住的是，在厚度方向的保濕性不均勻的反應(yīng)層中，在反應(yīng)層的厚度方向，設(shè)置有作為燃料電池用反應(yīng)層的高拒水性的無(wú)催化劑層。
本發(fā)明對(duì)上述發(fā)明的實(shí)施形態(tài)和實(shí)施例沒(méi)有任何限定。在不脫離專(zhuān)利要求的范圍的記載的前提下，在業(yè)界容易想到的范圍內(nèi)進(jìn)行的各種變形狀態(tài)也均被包括在本發(fā)明內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于，作為燃料電池中處于固體電解質(zhì)膜與擴(kuò)散層之間的反應(yīng)層，具有與上述固體電解質(zhì)膜接觸的第1層、與上述擴(kuò)散層接觸的第2層、和處于上述第1 層與上述第2層之間的中間層，上述第1層和第2層具有載置在導(dǎo)電性的單體上的催化劑， 上述中間層中不存在催化劑。
2.權(quán)利要求1所述的燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于 上述第1層的保濕性高于上述第2層。
3.權(quán)利要求2所述的燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于 上述中間層的保濕性低于上述第1層但高于上述第2層。
4.權(quán)利要求2所述的燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于，上述中間層具有與上述第1層接觸的第3-1層、與上述第2層接觸的第3-2層、和被該第3-1層和第3-2層所夾持的第3-3層，上述第3-1層的保濕性等于或低于上述第1層、且高于上述第3-2層，上述第3-2層的保濕性等于或高于上述第2層，上述第3-3層的保濕性高于上述第3-1層和上述3-2層。
5.權(quán)利要求4所述的燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于上述第3-1層除了不具備催化劑外，與上述第1層的特性相同，上述第3-2層除了不具備催化劑外，與上述第2層的特性相同。
6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的燃料電池用反應(yīng)層，其特征在于與上述第2層相比，上述第1層的載體的空隙率低，電解質(zhì)比率大，或者該電解質(zhì)的EW
全文摘要
本發(fā)明的目的為一直保持燃料電池中的反應(yīng)層的濕潤(rùn)狀態(tài)。作為燃料電池中處于固體電解質(zhì)膜與擴(kuò)散層之間的反應(yīng)層，具有與固體電解質(zhì)膜接觸的第1層、與擴(kuò)散層接觸的第2層、和處于第1層與第2層之間的中間層，中間層中不存在催化劑。
文檔編號(hào)H01M8/10GK102484255SQ20108002924
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日
發(fā)明者加藤英美, 大塚元博, 山本泰三 申請(qǐng)人:株式會(huì)社愛(ài)考斯研究