[发明专利]固体高分子型燃料电池用膜电极接合体及固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池用膜电极接合体及固体高分子型燃料电池。

背景技术

燃料电池由于发电效率高，其反应生成物从理论上讲仅为水，对环境几乎无不良影响，因此估计今后会得到普及。其中，固体高分子型燃料电池因为功率密度高，所以被期待作为汽车用或分散发电系统、移动型发电系统、家用热电联供系统广泛普及。

固体高分子型燃料电池通常由在膜电极接合体两侧配置形成有气体流路的导电性间隔物而得的电池构成，该膜电极接合体包括具备催化剂层及气体扩散层的阴极、具备催化剂层及气体扩散层的阳极和配置于阴极的催化剂层与阳极的催化剂层之间的固体高分子电解质膜。

膜电极接合体的尺寸稳定性和机械强度低时，组装电池时的处理性变差，在运转过程中有时固体高分子电解质膜会被破坏。因此，要求膜电极接合体具备足够的机械强度和尺寸稳定性。

最近，为了实现燃料电池系统的简化和低成本化，要求固体高分子型燃料电池在反应气体(燃料气体及氧化剂气体)的相对湿度低的低加湿条件下运转。如果可在低加湿条件下稳定地发电，则无需设置加湿装置等周边装置，因而可实现燃料电池系统的低价格化和小型化。因此，为在低加湿条件下也维持离子传导性，要求膜电极接合体的固体高分子电解质膜的离子交换容量高(即，当量重量(每1当量离子性基团的聚合物克数，以下记为EW)小)且较薄(25μm以下)。

但是，固体高分子电解质膜具备EW越小湿度环境的变化所造成的膨润和收缩越大的性质。该膨润和收缩因电池温度、反应气体的相对湿度、反应气体的量、输出功率等运转条件的变化而产生，因此在实际用途中反复的膨润和收缩会导致固体高分子电解质膜无序地出现尺寸变化，其结果是，固体高分子电解质膜起褶。固体高分子电解质膜较薄时，所述褶子有时会导致固体高分子电解质膜破损。

作为尺寸稳定性得到提高的固体高分子电解质膜及膜电极接合体，例如提出了以下方案。

(1)使离子交换树脂含浸于具有多孔质微细结构的拉伸膨胀四氟乙烯膜而得的厚度约25μm以下的较薄的复合膜(专利文献1)。

(2)使离子传导性聚合物包含于随机取向的各纤维的多孔质体内而得的复合膜(专利文献2)。

(3)在固体高分子电解质膜的至少一面配置含导电性纳米纤维的补强材料而得的膜电极接合体(专利文献3)。

但是，(1)的复合膜与未经补强的膜相比离子传导性低，特别是存在低加湿条件下的发电性能下降的问题。

(2)的复合膜即使选择了具备足够的化学稳定性和量产性的多孔质体，与未经补强的膜相比其离子传导性也同样较低，特别是存在低加湿条件下的发电性能下降的问题。

(3)的膜电极接合体的尺寸稳定性和机械强度还是不够，特别是固体高分子电解质膜的厚度为25μm以下时，无法耐受所述膨润和收缩反复进行。

专利文献1：美国专利第5547551号说明书

专利文献2：日本专利特开平10-312815号说明书

专利文献3：日本专利特开2006-252967号公报

发明的揭示

本发明提供即使在低加湿条件下也可显现出高发电性能、具备足够的机械强度和尺寸稳定性、即使在反复进行湿润和干燥等的环境下也具备良好的耐久性的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体，以及可在低加湿条件下发电、可简化加湿装置等周边装置的固体高分子型燃料电池。

本发明的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的特征在于，包括具备催化剂层的阴极、具备催化剂层的阳极和配置于阴极的催化剂层与阳极的催化剂层之间的固体高分子电解质膜，所述阴极及所述阳极的至少一方还具备包含由聚合物形成的多孔质片状补强材料和导电性纤维的补强层。

较好的是所述阴极和所述阳极还具备气体扩散层，所述补强层存在于所述催化剂层和所述气体扩散层之间。

较好的是所述补强层还含有粘合剂，该粘合剂为含氟离子交换树脂。

较好的是所述导电性纤维和所述粘合剂的质量比(导电性纤维/粘合剂)为1/0.05～1/1。

较好的是所述导电性纤维为碳纤维，该碳纤维的平均纤维径为50～300nm，平均纤维长为5～30μm。

较好的是所述片状补强材料具备多个细孔且平均细孔径为0.4～7μm。

较好的是所述片状补强材料由多条纤维形成，且该纤维的平均纤维径为0.2～7μm。

较好的是所述片状补强材料为无纺布，该无纺布是通过熔喷(melt blown)法制得的由聚丙烯或含氟聚合物形成的无纺布。

较好的是所述片状补强材料为由聚四氟乙烯形成的多孔质膜。