[发明专利]膜-电极组件

说明书

技术领域

本发明涉及膜-电极组件以及具备该膜-电极组件的固体高分子型燃料电池。

背景技术

作为一次电池、二次电池或固体高分子型燃料电池等的电解质膜，是使用由具质子传导性的高分子形成的电解质膜。例如以Nafion(杜邦公司的注册商标)为代表的氟类高分子电解质目前作为主要的研究对象。

近年来，追求进一步的低成本化、对于可以取代上述氟类高分子电解质的低成本的高分子电解质的开发日益活跃，特别是高分子电解质的主要构成成分不具有氟原子的高分子电解质(烃类高分子电解质)受到关注。特别是由烃类高分子电解质制得的电解质膜除了可以廉价制造之外，还具有耐热性高、可在高温下运行的优点。

不过，固体高分子型燃料电池以下述的形式使用：在上述电解质膜的两面上形成被称为催化剂层的电极，所述催化剂层含有促进氢和氧的氧化还原反应的催化剂，并且在催化剂层的外侧具有用于高效地向催化剂层供给气体的气体扩散层，该催化剂使用铂或含铂合金。其中，在电解质膜的两面形成催化剂层，这通常称为膜-电极组件(以下也称为“MEA”)。为了提高燃料电池的发电特性，结合上述电解质膜特性的提高，还必须使MEA的催化剂层中的氢的氧化反应、以及氧的还原反应顺利进行，因此，为了提高催化剂层中的氧化还原反应的效率进行了很多的研究。

例如，日本特开平9-245802号公报中公开了一种催化剂层，该催化剂层是在催化剂层的厚度方向上使催化剂层内的高分子电解质或催化剂载体的比表面积、多孔度不同。

另外，日本特开2004-152593号公报中公开了一种催化剂层的制备方法，该方法的特征在于：在制备催化剂层的步骤中，用电磁波照射或粒子射线照射等对构成催化剂层的催化剂粉末进行处理。

发明内容

在日本特开平9-245802号公报、日本特开2004-152593号公报中公开的催化剂层，其目的均是提高具备该催化剂层的MEA的发电性能，但该发电性能的提高幅度并不充分，还有催化剂层的制备本身较为繁杂的问题。本发明的目的在于提供可通过简便的制备方法获得、且发电性能优异的MEA，以及使用该MEA的固体高分子型燃料电池。

本发明人等为解决上述课题进行了深入的研究，结果完成了本发明。

即，本发明提供以下的[1]或[2]。

[1]膜-电极组件，其是在电解质膜的两面配置催化剂层而形成的膜-电极组件，其特征在于：上述电解质膜的通过下述式(F1)求出的水流阻力为10μm·g/meq以下，并且在至少一侧的催化剂层中所含的铂量为0.02～0.20mg/cm²，

[2]膜-电极组件，其是在电解质膜的一个面上配置阳极侧催化剂层、在另一个面上配置阴极侧催化剂层而形成的膜-电极组件，其特征在于：上述电解质膜的通过下述式(F1)所求出的水流阻力为10μm·g/meq以下，并且上述阳极侧催化剂层所含的铂量为0.02～0.20mg/cm²，

本发明进一步提供下述[3]～[5]作为上述[1]或[2]的优选实施方案。

[3][2]所述的膜-电极组件，其中，当阴极侧催化剂层的铂量表示为x[mg/cm²]、阳极侧催化剂层的铂量表示为y[mg/cm²]时，满足下述式(F2)：

x/y≥2            (F2)。

[4][1]～[3]中任一项所述的膜-电极组件，其中，上述电解质膜的膜厚为29μm以下。

[5][1]～[4]中任一项所述的膜-电极组件，其中，上述电解质膜含有烃类高分子电解质。

本发明还提供涉及上述任一项所述的膜-电极组件的[6]、[7]。

[6]固体高分子型燃料电池，该燃料电池具备上述任一项所述的膜-电极组件。

[7]膜-电极组件的制备方法，该制备方法包括下述(i)、(ii)所述的步骤：

(i)由烃类高分子电解质制备通过下述式(F1)求出的水流阻力为10μm·g/meq以下的电解质膜的步骤；

(ii)在上述(i)所得的电解质膜的一个面上涂布催化剂油墨(catalystink)，然后由涂布的膜中除去溶剂，形成铂量为0.02～0.20mg/cm²的催化剂层的步骤，其中所述催化剂油墨含有选自铂和含铂合金的至少一种催化剂物质、高分子电解质、以及溶剂，

根据本发明，可以提供可赋予发电性能显著得到改善的固体高分子型燃料电池的MEA，因此工业上极为有用。