[发明专利]电解质膜和使用该电解质膜的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用的电解质膜和具有该电解质膜的燃料电池。

背景技术

作为燃料电池的形式之一，已知有固体高分子型燃料电池。固体高分子型燃料电池比其它形式的燃料电池工作温度低(-30℃～120℃左右)，成本低，可小型化，所以期待作为汽车的动力源等使用。

如图5所示，固体高分子型燃料电池1以膜电极接合体(MEA)2为主要构成要素，膜电极接合体2被具有燃料(氢气)气体流路21的阳极侧隔膜20和具有空气(氧气)气体流路31的阴极侧隔膜30夹持，形成被称作“单电池”的1个燃料电池1。膜电极接合体2具有下述结构，即：在作为离子交换膜的固体高分子电解质膜10的一侧叠层有由阳极侧的催化剂层13a和气体扩散层14a构成的阳极侧电极15a，在另一侧叠层有由阴极侧的催化剂层13b和气体扩散层14b构成的阴极侧电极15b。

固体高分子型燃料电池，作为电解质膜主要使用作为氟系电解质树脂(离子交换树脂)的全氟磺酸聚合物薄膜(美国，杜邦公司，Nafion膜)(专利文献1等)。另外，由于仅由电解质树脂构成的薄膜不具有充分的强度，所以使用通过使溶解在溶剂中的电解质树脂浸渗到拉伸多孔质的增强膜(例如由PTFE、聚烯烃树脂等拉伸制作的薄膜)中并干燥，从而得到的增强膜型电解质膜(专利文献2、专利文献3等)。

另外，固体高分子型燃料电池中使用的氟系电解质树脂，通过含水而发挥质子传导性。质子传导性随着含水量的大小而变化，含水量小时，质子传导性变小。另一方面，近年来的燃料电池，为了系统简化和成本降低，要求在更低湿度下工作，但在低湿度下工作时，质子传导性降低，所以与湿度高时相比，发电性能大幅降低。

即，在低湿度下的工作状态时，在燃料电池的阳极侧，随着质子的移动、出现水向阴极侧移动的电浸渗现象，燃料电池的阳极侧变为更加干燥的状态。如果阳极侧变干燥，则阳极侧的电解质的质子传导性变小，作为电池整体的电阻提高，电池性能大幅降低。为了避免这样的阳极侧干燥而进行了下述尝试，即通过利用使阴极侧质子氧化反应生成的水巧妙地移动到阳极侧的逆扩散效果，来避免低湿度状态下的性能降低。

一般来说，通过使电解质膜的膜厚变得更薄，可以缩短逆扩散水的移动距离，另外还可以加大干燥的阳极侧和润湿的阴极侧之间的水浓度梯度，增大水的移动率，使阴极侧的生成水作为逆扩散水向阳极侧移动。

专利文献1：特开2001-35510号公报

专利文献2：特开2005-302526号公报

专利文献3：特开2006-202532号公报

发明内容

如上所述，为了使阴极侧的生成水作为逆扩散水向阳极侧移动、防止发电性能降低而进行的尝试，现在主要是通过使电解质膜薄膜化来进行的。但从膜强度的问题和电池的耐久性的观点来看，电解质膜的薄膜化不能大幅变薄，存在限制。作为实现膜强度提高的电解质膜，如上所述，使用增强膜具有拉伸多孔质膜的增强膜型电解质膜，由于具有增强膜，所以当然薄膜化受到限制，不能期待充分的逆扩散水效果。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其课题是提供即使增强膜型电解质膜具有增强膜也可发挥较高的逆扩散效果的增强膜型电解质膜、和具有该增强膜型电解质膜的燃料电池。

为了解决上述课题，本发明人等进行了大量研究，发现：以往的增强膜型电解质膜，由于作为拉伸多孔质膜的增强膜位于电解质膜的厚度方向的中间，在增强膜的两面形成的电解质树脂层的厚度相同，所以两电解质树脂层的理论吸水量相同，由于增强膜型电解质膜的厚度一致而不能发挥更好的逆扩散效果，通过积极地在增强膜型电解质膜的厚度方向上形成吸水率梯度，可以使增强膜型电解质膜具有比以往厚度一致时更好的逆扩散效果。通过上述发现而完成了本发明。

即作为本发明的第1发明的增强膜型电解质膜，是在电解质树脂中埋设了作为增强膜的拉伸多孔质膜的增强膜型电解质膜，其特征在于，在所述被埋设的增强膜的一面侧形成的电解质树脂层的厚度比在另一面侧形成的电解质树脂层的厚度厚。

另外，作为本发明的第2发明的增强膜型电解质膜，是在电解质树脂中埋设了作为增强膜的拉伸多孔质膜的增强膜型电解质膜，其特征在于，所述被埋设的增强膜是由孔隙率不同的多片拉伸多孔质膜构成的，该多片拉伸多孔质膜按照孔隙率的大小在电解质膜的厚度方向排列。