[发明专利]具有用于捕集催化剂的层的膜电极组件及具有该组件的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有催化剂捕集层(catalyst trapping layer)的膜电极组件以及包括该组件的燃料电池，且更具体而言，涉及一种具有催化剂捕集层的膜电极组件，所述催化剂捕集层由多孔膜形成并且设置在催化剂层的面向聚合物电解质膜的面的相对面处以防止催化剂损失，以及包括该组件的燃料电池，特别是直接甲醇燃料电池。 

背景技术

移动装置近来的发展需要具有较高输出和电容量的电源。通常，已经使用可充电和放电的锂二次电池组作为这种电源。然而，该锂二次电池组在呈现充分且长期具有相对大的电容量的电子设备性能方面存在一些问题。具体地，在制造大电容量的锂二次电池组的时候，由于组成锂二次电池组的材料的特性，锂二次电池组的制造成本非常昂贵，锂二次电池组的安全性很低，并且锂二次电池组需要花费很长时间充电。 

为此原因，对满足上述条件同时克服了锂二次电池组的限制的新动力产生系统的开发正在积极地进行中。其中包括能够长期高效率提供动力的燃料电池。 

该燃料电池为通过电化学反应把如氢和甲醇的燃料变成水而产生电的电池组。作为可以克服锂二次电池组的问题的环境友好的能源资源，该燃料电池已备受关注。该燃料电池的典型实例为使用气体燃料氢燃料电池和使用液体燃料的直接甲醇燃料电池，对其正在进行大量研究并且有些正处于商品化阶段。

直接甲醇燃料电池为利用甲醇与氧之间的反应的电池组。具体地，在直接甲醇燃料电池的燃料电极分解甲醇以产生电子和质子。该质子通过聚合物电解质膜并且在空气电极与氧反应以产生水。 

组成燃料电池的组件之一的膜电极组件(MEA)为在其中发生甲醇与氧之间的电化学反应的部件。该膜电极组件包括燃料电极、空气电极和聚合物电解质膜。在燃料电极，通过甲醇的氧化反应产生电子。在空气电极，通过氧(空气)的还原反应产生水。该燃料电极和空气电极构成一种结构，在所述结构中在电解质膜上涂布电极催化剂层。 

图1为典型地显示该膜电极组件的剖面图。如图1中所示，膜电极组件10为一种结构，在该结构中将燃料电极30与空气电极40分别粘附于聚合物电解质膜20的相对的主表面处。此外，燃料电极30与空气电极40也为一种结构，在该结构中催化剂层34与44分别设置在聚合物电解质膜20与气体扩散层32之间和聚合物电解质膜20和气体扩散层42之间。 

包括具有上述结构的膜电极组件10的直接甲醇燃料电池存在如下问题：与常规固体聚合物电解质燃料电池不同，由于引入液相甲醇至燃料电极30而出现催化剂洗涤现象。具体地，由于甲醇的连续流动而在电解质膜20上涂布的催化剂层34的催化剂从催化剂层34分离开，结果是甲醇的氧化反应区会减小，因此，膜电极组件10的性能会降低。尤其当直接甲醇燃料电池系统长时间运转(驱动)时，催化剂洗涤现象(catalyst washing phenomenon)成为降低燃料电池性能的主要因素。 

关于这一点，本发明提出一种构造为具有如下结构的膜电极组件，在该结构中，附加的多孔膜粘附于催化剂层的面向聚合物电解质膜的面的相对面。另一方面，一些常规技术公开了将附加层(粘合剂层)粘附于催化剂层的面向聚合物电解质膜的相对面的技术。 

例如，日本未审查的专利公开2004-214045号公开了一种技术，该技术将包括导电碳和氢离子导电聚合物电解质的粘合剂层施加到气体扩散层上，并且在高温和高压下，将气体扩散层与催化剂层熔接以在氢燃料电池中牢固地使催化剂层与气体扩散层彼此粘附。因此，该技术可直接应用于直接甲醇燃料电池以抑制催化剂洗涤现象。然而，已经证实，在直接甲醇燃料电池中，如甲醇的液体成分的流动由于热熔接的粘合剂层而变得困难，因此，反应效率显著降低。 

同样，日本未审查的专利公开2005-174765号公开了一种技术，该技术在燃料电极中在催化剂层和气体扩散层之间设置吸收材料(如炭黑)、吸收性聚合物、碳气凝胶、金属氧化物或吸收纤维以实现氢燃料电池在低温下的运转。因此，该技术可直接应用于直接甲醇燃料电池以抑制催化剂洗涤现象。因为直接甲醇燃料电池是主要以如甲醇的液体成分运转的系统，然而，在上述组件结构中，吸收材料被大量液体成分浸透，并且该液体成分进一步减小了催化剂层的偶合力，从而相当地加速了催化剂洗涤现象。 

因此，非常需要一种技术，该技术抑制了在如直接甲醇燃料电池的直接液体型燃料电池中因液体成分而引起洗涤催化剂的现象，而不会降低燃料电池的工作效率。 

发明内容

技术问题