[发明专利]膜催化剂层组件、膜电极组件、燃料电池及燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及膜催化剂层组件、膜电极组件、燃料电池及燃料电池堆。 

背景技术

燃料电池(FC)由于发电效率高且对环境的负荷也小，所以作为分散型能源系统，希望今后能够得到普及。其中，使用具有阳离子(氢离子)传导性的高分子电解质的高分子电解质型燃料电池，由于输出密度高、动作温度低、能够小型化，所以期待着利用于汽车等移动体、分散发电系统及家庭用热电联供系统等。 

高分子电解质型燃料电池，通过使含氢的燃料气体与含氧的空气等氧化剂气体发生电化学反应，而同时产生电和热。这里，图17是表示装载于现有的高分子电解质型燃料电池中的单电池的基本结构的一例的概略截面图。而且，图18是表示装载于图17所示的单电池100中的膜电极组件(MEA：Membrane-electrode assembly)的基本结构的一例的概略截面图，图19是表示构成图18所示的膜电极组件101的膜催化剂层组件(CCM：Catalyst-coated membrane)的一例的概略截面图。 

如图19所示，在膜催化剂层组件102中，在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜111的两面，形成催化剂层112，该催化剂层112包含：在碳粉末上担载电极催化剂(例如铂系的金属催化剂)而得到的催化剂担载碳，以及具有氢离子传导性的高分子电解质。作为高分子电解质膜111，一般使用由全氟化碳磺酸构成的高分子电解质膜(例如，美国杜邦公司生产的Nafion(商品名)等)。 

如图18所示，膜电极组件101是如下构成的：在催化剂层112的外面，使用例如实施了拨水处理的碳纸，形成同时具有通气性及电子传导性的气体扩散层113。通过该催化剂层112与气体扩散层113的组 合而构成电极(阳极或阴极)114。进而，如图17所示，单电池100由膜电极组件101、衬垫115以及一对隔板116所构成。衬垫115用于防止供给的燃料气体及氧化剂气体向外部的泄漏及防止混合，在电极的周围夹持高分子电解质膜而配置。衬垫115预先与电极及高分子电解质膜一体形成。还有，也有时将组合了高分子电解质膜111、一对电极114(催化剂层112及气体扩散层113)及衬垫115的组件称为膜电极组件。 

在膜电极组件101的外侧，配置有为了机械地固定膜电极组件101的一对隔板116。在隔板116的与膜电极组件101相接触的部分上，形成有气体通路117，用于向电极供给反应气体(燃料气体或氧化剂气体)，将包含电极反应生成物、未反应的反应气体的气体从反应场所向电极的外部运送出去。虽然气体通路117也可以与隔板116分别设置，但一般的方式是在隔板的表面设置沟槽而形成气体通路。而且，在隔板116的与膜电极组件101相反的一侧，设置沟槽，形成冷却水通路118。 

这样，由一对隔板116固定膜电极组件101，向一个隔板的气体通路供给燃料气体，向另一个隔板的气体通路供给氧化剂气体，由此，在数十到数百的mA/cm²的实用电流密度通电时，由一个单电池能够产生0.7～0.8V左右的电动势。但是，通常在将高分子电解质型燃料电池作为电源使用时，需要数伏到数百伏的电压，因此实际上，是将所需要个数的单电池串联连接而作为堆来使用。 

为了对气体通路117供给反应气体，需要歧管(manifold)，其是将供给反应气体的配管分支成与使用的隔板的枚数相对应的数目并将这些分支端直接连接于隔板上的气体通路的部件。特别将从供给反应气体的外部配管直接连接于隔板的类型的歧管，称为外部歧管。另一方面，也有具有更简单结构的称为内部歧管的歧管。内部歧管由设置于形成了气体通路的隔板上的贯通孔所构成，可以使气体通路的出入口与该孔相连通而从该贯通孔直接将反应气体供给气体通路。 

气体扩散层113主要具有以下三个功能。第一个功能为，为了从位于气体扩散层113外侧的隔板116的气体通路向催化剂层112中的电极催化剂均匀地供给反应气体而使该反应气体扩散的功能；第二个 功能为，将在催化剂层112中由反应生成的水迅速地向气体通路排出的功能；而且，第三个功能为，传导反应所必需的电子或生成的电子的功能。就是说，气体扩散层113必须具有高的反应气体透过性、水分排出性及电子传导性。