[发明专利]膜电极接合体、及具有其的膜-电极-气体扩散层接合体以及固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及膜电极接合体、及具有该膜电极接合体的膜-电极-气体扩散层接合体以及固体高分子型燃料电池。

背景技术

现在，石油资源的枯竭成为重大的问题，进而化石燃料的消耗引起大气污染或全球变暖等环境问题严重化。这种情况下，燃料电池作为不伴随有二氧化碳的产生的清洁的电源受到瞩目，一部分开始实用化。

作为搭载在车辆等中的燃料电池，从易得到高电压和大电流方面考虑，使用高分子电解质膜的固体高分子型燃料电池受到瞩目。作为在该固体高分子型燃料电池中使用的电极结构体，已知膜电极接合体(以下有时称为“MEA”)和膜-电极-气体扩散层接合体(以下有时称为“MEGA”)。

MEA包括具有质子传导性的高分子电解质膜，和夹着该高分子电解质膜而设置在高分子电解质膜的主面上的一对催化剂层。催化剂层含有铂等催化剂物质、负载该催化剂物质的炭黑等载体、和保持该载体的聚合物。

MEGA含有上述MEA，和夹着该MEA而在催化剂层的与高分子电解质膜的接触面相反一侧的面上的一对气体扩散层。固体高分子型燃料电池具有夹着上述MEGA而在气体扩散层的与催化剂层的接触面相反一侧的面上形成气体通路的一对隔板(separator)。

固体高分子型燃料电池中，一方催化剂层发挥作为阳极催化剂层(燃料极)的功能、另一方催化剂层发挥作为阴极催化剂层(氧极)的功能。氢气、甲醇等燃料气体从阳极侧隔板通过阳极侧气体扩散层被导入到阳极催化剂层。此外，空气、氧气等氧化剂气体从阴极侧隔板通过阴极侧气体扩散层被导入到阴极催化剂层。

阳极催化剂层中，通过阳极催化剂层中含有的催化剂的作用，由燃料气体(氢气)生成质子(H⁺)和电子。该质子通过高分子电解质膜迁移到阴极催化剂层。然后通过阴极催化剂层的催化剂的作用，质子与导入到阴极催化剂层的氧化剂气体(氧气)以及电子反应，生成水。因此，若将阳极催化剂层和阴极催化剂层电连接，则形成将阳极催化剂层中产生的电子传送到阴极催化剂层的电路，可以得到电流。

作为MEA的制造方法，提出了将形成在支撑体上的催化剂层热压接在高分子电解质膜上后、剥离该支撑体的方法，在高分子电解质膜上流延形成含有催化剂和高分子电解质的催化剂油墨的方法，用喷雾法等在高分子电解质膜上涂布同样的催化剂油墨形成催化剂层的方法等各种方法。通过这种方法形成的MEA的各催化剂层通常形成由单一组成构成的单层结构。

现在，为了提高固体高分子型燃料电池的性能，提出了有关催化剂层的结构的各种技术。例如提出在催化剂层中，为了增加气体扩散层侧的反应点，减少催化剂层的气体扩散层侧的电解质的含量，在厚度方向上改变电解质含量(例如参照专利文献1)，为了抑制催化剂层中的水分分布的不均，在反应气体出入口方向、即催化剂层的面方向上改变高分子电解质的浓度(例如参照专利文献2)。

此外，为了在催化剂层的厚度方向上赋予电子传导性和质子传导性的梯度，提出了使催化剂层的高分子电解质膜侧含有很多高分子电解质(例如参照专利文献3)等。

专利文献1：日本特开平9-180730号公报

专利文献2：日本特开2002-151090号公报

专利文献3：日本特开2005-259525号公报

发明内容

但是，即使使用专利文献1～3的催化剂层，固体高分子型燃料电池的发电性能仍然不充分，要求进一步的改善。此外如专利文献2所述在催化剂层的面方向(气体流路方向)上改变高分子电解质的浓度由于使膜电极接合体的制造步骤变得复杂，在实用上不优选。固体高分子型燃料电池的发电性能通常可以通过降低催化剂层的超电压、以及降低作为欧姆电阻的单元(セル)电阻来提高。

因此，本发明的目的在于，提供发电性能充分优异、可以容易地制造的膜电极接合体，及具有该膜电极接合体的膜-电极-气体扩散层接合体以及固体高分子型燃料电池。

本发明人为了提高固体高分子型燃料电池的发电性能，对膜电极接合体的结构进行了各种研究。而且，着眼于阳极催化剂层的组成进行了深入研究，结果发现，在阳极催化剂层中，在厚度方向上改变聚合物的分子结构是有效的，从而完成了本发明。