[发明专利]膜电极接合体和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及通过氢和氧的电化学反应而发电的燃料电池。

背景技术

近年来，能量转换效率高且不因发电反应而产生有害物质的燃料电池备受瞩目。作为这种燃料电池之一，已知的是在100℃以下的低温下工作的固体高分子型燃料电池。

固体高分子型燃料电池是如下装置，其具有将作为电解质膜的固体高分子膜在燃料极和空气极之间分配的基本结构，是向燃料极供给含氢的燃料气体、向空气极供给含氧的氧化剂气体，并通过以下的电化学反应来发电的装置。

燃料极：H₂→2H⁺+2e^-…（1）

空气极：1/2O₂+2H⁺2e^-→H₂O…（2）

阳极和阴极分别由层叠了催化剂层和气体扩散层（Gas Diffusion Layer：GDL）的结构构成。各电极的催化剂层夹着固体高分子膜而相向配置，构成燃料电池。催化剂层是使担载了催化剂的碳粒子通过离子交换树脂粘结而成的层。气体扩散层成为氧化剂气体、燃料气体的通过路径。

在阳极中，供给的燃料中所含的氢如上述式（1）所示那样分解成氢离子和电子。其中，氢离子在固体高分子电解质膜的内部向空气极移动，电子通过外部电路向空气极移动。另一方面，在阴极中，向阴极供给的氧化剂气体中所含的氧与从燃料极移动过来的氢离子和电子反应，如上述式（2）所示那样生成水。这样，在外部电路中，电子从燃料极向空气极移动，从而输出电力。

例如，在专利文献1中公开了多孔基体材料内的疏水材料的量从与催化剂层接触的一侧向另一侧连续地变化的燃料电池用的气体扩散电极。此外，专利文献2中公开了如下技术，在气体扩散层中，使基体材料的第2表露面中的一半以上与支撑体处于非接触状态、或使支撑体的支撑面具有疏水性，由此抑制基体材料的第1表露面侧的流动物向基体材料的厚度方向过剩地浸渗。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-109604号公报

专利文献2：日本特开2009-181718号公报

发明内容

发明要解决的问题

对于燃料电池，气体扩散层需要兼顾因电化学反应而产生的水的排出和气体的扩散性。然而，以往的燃料电池存在不能充分地确保气体扩散层中的水的排出路径、无法兼顾气体扩散层中的水的排出性和气体扩散性这样的问题。

例如，在引用文献1和2的燃料电池中，无法定量地把握在气体扩散层中形成的、作为通过电化学反应而产生的生成水的排出路径的碳路径。

本发明鉴于上述课题而完成，其目的在于提供一种兼顾水的排出性和气体扩散性、且提高了电压特性的燃料电池。

解决问题的方法

为了解决上述课题，本发明的某一方式的膜电极接合体具备电解质膜、在电解质膜的一面设置的阳极、和在电解质膜的另一面设置的阴极。阳极从电解质膜侧依次包括阳极催化剂层和阳极气体扩散层。阴极从电解质膜侧依次包括阴极催化剂层和阴极气体扩散层。阳极气体扩散层具有阳极气体扩散基体材料和含有导电性粉末的阳极微孔层，所述阳极微孔层以从阳极气体扩散基体材料的第1面部分渗入阳极气体扩散基体材料的厚度方向的形式配置。阴极气体扩散层具有阴极气体扩散基体材料和含有导电性粉末的阴极微孔层，所述阴极微孔层以从阴极气体扩散基体材料的第1面部分渗入阳极气体扩散基体材料的厚度方向的形式配置。使下述的渗透率（裏抜け率）中的至少一个大于0.2%，其中一个渗透率为阳极气体扩散层中的前述阳极微孔层的一部分到达与前述阳极气体扩散基体材料的第1面相反侧的第2面从而散在地形成的阳极微孔层的渗透区域的总面积在阳极气体扩散基体材料的第2面的面积中所占的比例，另一个渗透率为使阴极气体扩散层中的阴极微孔层的一部分到达与前述阴极气体扩散基体材料的第1面相反侧的第2面从而散在地形成的阴极微孔层的渗透区域的总面积在阴极气体扩散基体材料的第2面的面积中所占的比例。

根据这样的方式，气体扩散层的微孔层部分渗透至气体扩散基体材料的另一面，因此可以以微孔层中形成渗透的部分为中心，将因电化学反应而产生的水向隔板侧排出。认为通过微孔层中的碳形成碳路径，使生成水的排出高效地进行。此外，通过使微孔层的渗透率为给定比例，可以保持气体扩散层的气体扩散性，同时兼顾生成水的排出和气体扩散性。此外，通过散在地形成渗透区域，可以从气体扩散层整体均匀地排出生成水，因此可以使生成水的排出性进一步地提高。由此，可以使燃料电池的电压特性提高。