[发明专利]膜电极复合体的制造方法和使用由该方法制造的膜电极复合体的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及膜电极复合体的制造方法和使用由该方法制造的膜电极复合体的燃料电池。 

背景技术

燃料电池可以通过在电池内使氢或甲醇等燃料电化学地氧化将燃料的化学能直接转换为电能而取出，由于不发生火力发电那样的由燃料的燃烧产生的NO_x和SO_x等，所以作为清洁电能供给源而备受关注。 

燃料电池的膜电极复合体(燃料电池发电部)具有按照以下顺序顺次叠层的阳极(催化剂电极、燃料极)、质子传导性膜和阴极(催化剂电极、氧化剂极)。其中，由于催化剂电极无论对于阳极和阴极的哪一个都具有集电体和催化剂层，所以膜电极复合体也可以具有按照以下顺序顺次叠层的阳极集电体、阳极催化剂层、质子传导性膜、阴极催化剂层和阴极集电体。通常集电体是多孔质导电性材料，由于还具有向催化剂层供给燃料或氧化剂的作用，所以也称为扩散层。催化剂层实际上未必是只含有纯粹的催化剂的层，例如，含有构成邻接的集电体和质子传导性膜的物质，由含有催化剂活性物质、导电性物质和质子传导性物质的多孔质层形成的情况也很多。也有在作为集电体的多孔质导电性材料的与质子传导性膜连接的一侧形成直接负载催化剂活性物质的结构。 

以直接甲醇燃料电池为例，向阳极催化剂层供给含有甲醇及水的混合燃料，向阴极催化剂层供给空气(氧)，在各自的电极上发生由化学式(1)及化学式(2)表示的催化剂反应。 

燃料极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-    (1) 

氧化剂极：6H⁺+(3/2)O₂+6e^-→3H₂O    (2) 

这样，在燃料极上发生的质子向质子传导性膜移动，电子向阳极集电体移动，在氧化剂极上由阴极集电体供给的电子、由质子传导性膜供给的质子和氧发生反应，从而在一对集电体之间流过电流。 

为了实现优良的电池特性，必须向各自的电极平稳地供给适量的燃料，必须使电极催化剂反应在催化剂活性物质、质子传导性物质和燃料的三相界面上尽快尽多地发生，必须使电子和质子平稳地移动，必须使反应生成物尽快地排出。特别是催化剂活性，由于根据其性能大大影响可供给的电力，所以重要性高，无论阴极催化剂、阳极催化剂的任一种，根据其活性高度和化学稳定性的要求，大多使用铂或者含有铂作为主要构成元素的合金。特别是以甲醇作为直接燃料的场合，由于催化剂表面吸附作为反应的中间物质的一氧化碳的活性降低，所以为了促进一氧化碳和水的反应，一般以铂制成合金使用。作为合金成分周知的有：铂和其它铂族元素例如钌等的合金、铂和铂族以外的元素的合金、铂和其它的铂族元素及铂族以外的元素的合金等。但是，由于这些催化剂需要铂族元素那样的稀有材料，所以即使以循环使用作为前提，控制全部使用的量也是不可欠缺的，有必要以尽可能少量的催化剂而得到稳定的高活性。从此观点出发，即使对于以这些铂族元素作为主要构成元素的催化剂，也希望进一步高活性化。特别是组装将多个膜电极复合体串联连接的燃料电池时，若每个膜电极复合体存在催化剂活性的偏差，那么整体的性能就会受到性能最低的那个的限定。因此，不得不留出富余而使用多量的催化剂，存在与稀有资源使用量增加相关的问题。 

作为提高催化剂活性而提高燃料电池的特性的方法周知的有：将氧供给膜电极复合体的阴极侧，将甲醇燃料液供给阳极侧，同时由外部电源使电流从阴极向阳极流动的方法；或者使大量的甲醇从阳极跨越到阴极侧，同时由外部电源使电流从阴极向阳极流动的方法(美国专利第6,962,760号说明书：专利文献1)。该方法是通过在阳极侧催化剂电极的表面上由燃料液的电解而产生氢、还原催化剂表面、 提高活性的方法。但是，该方法存在以下问题：氧流入阴极侧时，因通电而使阴极电位上升，促进了催化剂和周边的构成材料的氧化劣化，在阴极侧使甲醇氧化时，由大量跨越的甲醇造成质子传导性物质发生膨润，给在通常所用的运转条件下最佳化的阴极性能带来不良影响等。另外，由于在阳极侧氢气成为气泡而发生，所以会发生催化剂和质子传导性物质或质子传导性膜的接触界面被剥离的情况，长时间连续产生氢时，会发生存在电极特性不可逆劣化的情况的问题。