[发明专利]膜电极复合体及其制造方法、和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及可达成高输出功率密度的膜电极复合体及其制造方法、以及使用该膜电极复合体的燃料电池。

背景技术

燃料电池是排出物少、且能量效率高，对环境的负担低的发电装置。因此，近年的地球环境保护提高之中，再度受到人们关注。与以往的大规模发电设施比，比较小规模的分散型发电设施、汽车、船舶等移动工具的发电装置，是将来也被看好的发电装置。另外，作为小型移动设备、便携设备的电源也受到关注，作为镍氢电池和锂离子电池等二次电池的代替品，或者作为二次电池的充电器，或者通过与二次电池并用(混合)，可期待搭载在便携电话等便携设备和个人电脑等上。

在高分子电解质型燃料电池(Polymer Electrolyte Fuel Cell)中，以氢气为燃料的以往的高分子电解质型燃料电池(以下有时记载为PEFC)之外，直接供给甲醇等燃料的直接型燃料电池也正被关注。直接型燃料电池与以往的PEFC比输出低，但是由于燃料为液体，不使用改质器，因此具有能量密度增高，每填充一次的便携设备的使用时间为长时间的优点。

高分子电解质型燃料电池通常引起担负发电的反应的阳极和阴极的电极、阳极和阴极之间成为质子传导体的高分子电解质膜构成膜电极复合体(MEA)，该MEA被隔板夹持而成的单电池(cell)构成为单元(unit)。在此，电极由进行气体扩散的促进和集(给)电的电极基材(也称为气体扩散电极或集电体)、实际上成为电化学反应场的催化层构成。例如PEFC的阳极电极，氢气等燃料在阳极电极的催化层中反应，产生质子和电子，电子传导到电极基材，质子向高分子电解质膜中传导。因此，对于阳极电极要求气体扩散性、电子传导性、质子传导性良好。另一方面，在阴极电极，氧和空气等氧化气体在阴极电极的催化层中与从高分子电解质膜传导过来的质子、从电极基材传导过来的电子发生反应，生成水。因此，在阴极电极，也与气体扩散性、电子传导性、质子传导性一同地需要高效率地排出生成的水。

另外，在PEFC之中，以甲醇等为燃料的直接型燃料电池中，要求具有与以氢气为燃料的以往的PEFC不同的性能。即，在直接型燃料电池中，在阳极中，甲醇水溶液等燃料在阳极电极的催化层中发生反应，产生质子、电子、二氧化碳，电子传导至电极基材，质子传导至高分子电解质膜，二氧化碳从电极基材通过向系统外释放出。因此，在以往的PEFC的阳极电极的要求特性之外，还要求甲醇水溶液等燃料的透过性、二氧化碳的排出性。此外，在直接型燃料电池阴极电极，在与以往的PEFC同样的反应之外，还引起透过电解质膜的甲醇等燃料和氧或空气等氧化气体在阴极电极的催化层中生成二氧化碳和水的反应。因此，由于生成的水比以往的PEFC多，因此必须更高效率地排出水。

以往，作为高分子电解质膜，一直使用以ナフイオン(注册商标)(デユポン公司制)为代表的全氟系质子传导性聚合物膜。可是，这些全氟系质子传导性聚合物膜，在直接型燃料电池中存在甲醇等燃料透过性大，电池输出、能量效率不充分的问题。另外，全氟系质子传导性聚合物膜从使用氟的方面考虑，价格也非常高。

曾提出了各种的与以往的全氟系质子传导性聚合物膜不同的非全氟系质子传导性聚合物膜，例如向非氟系的芳香族系高分子导入了阴离子性基的高分子电解质膜的方案(参照美国专利申请公开第2002/91225号说明书，美国专利第5403675号说明书，Journal of Membrane Science，Vol.197，231-242(2002))。可是，这些高分子电解质膜当为了得到高传导度而增多阴离子性基的导入量时，易向内部进入水，具有甲醇等燃料交叉大的缺点。作为该缺点的改良，减少阴离子性基的导入量，减少燃料交叉等对策可被容易推测，但在该对策中，作为膜电极复合体使用的场合，不仅离子传导度降低，而且高分子电解质膜变硬，因此与电极的粘合性不充分，作为结果，作为膜电极复合体的离子传导度降低，作为燃料电池的性能变得不充分。即，在电解质膜为高耐热性、高拉伸弹性模量的场合，即使可同时兼有低燃料交叉和高离子传导度，由于膜硬，难以软化，因此在催化层的微细表面和电解质膜之间易产生空隙。该空隙部积留空气和二氧化碳等气泡，对于离子传导也构成大的阻力，作为燃料电池的性能变得不充分。

作为其对策，例如曾提出了使电解质和电极间介在具有离子性基的物质的方法(特开昭59-209278号公报、特开平4-132168号公报)。