[发明专利]催化电极层及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型的催化电极层、以及该催化电极层的制造方法。此外，本发明涉及具有该催化电极层的新型层叠体、以及包含该层叠体的新型固体高分子型燃料电池。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能作为电力取出的发电系统，提出并研究过碱型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型、固体高分子型等几种形式的燃料电池。在它们当中，固体高分子型燃料电池由于工作温度特别低，因此有望用作固定型电源、车载用途等中小型的低温工作型燃料电池。

该固体高分子型燃料电池是将离子交换树脂等固体高分子作为电解质使用的燃料电池。该固体高分子型燃料电池如图1所示，具有如下的基本结构，即，将分别具有与外部连通的燃料流通孔2及氧化剂气体流通孔3的电池间隔壁1内的空间用在固体高分子电解质膜6的两面分别接合了燃料室侧催化电极层4及氧化剂室侧催化电极层5的接合体分隔，形成穿过燃料流通孔2与外部连通的燃料室7、以及穿过氧化剂气体流通孔3与外部连通的氧化剂室8。接着，在此种基本结构的固体高分子型燃料电池中，通过穿过燃料流通孔2向所述燃料室7供给由氢气或醇等液体构成的燃料，并且穿过氧化剂气体流通孔3向氧化剂室8供给成为氧化剂的纯氧或空气等含氧气体，进而还在燃料室侧催化电极层与氧化剂室侧催化电极层间连接外部负载电路，从而利用如下所示的机理产生电能。

作为固体高分子电解质膜6，从反应场所为碱性且可以使用贵金属以外的金属的方面考虑，研究了使用阴离子交换膜的做法。该情况下，通过向燃料室供给氢或醇等，向氧化剂室供给氧及水，从而在氧化剂室侧催化电极层5中该电极内所含的催化剂与该氧及水就会接触而生成氢氧化物离子。该氢氧化物离子在由上述阴离子交换膜构成的固体高分子电解质膜6(阴离子交换膜)内传导而向燃料室7移动，在燃料室侧催化电极层4中与燃料反应而生成水，而与之相伴地在该燃料室侧催化电极层4中生成的电子则穿过外部负载电路向氧化剂室侧催化电极层5移动，将该反应的能量作为电能利用。

要将此种固体高分子型燃料电池广泛地普遍使用，需要发挥高的输出、进一步提高耐久性。为了获得高的输出，可以考虑提高固体高分子型燃料电池的工作温度的做法，然而如果提高工作温度，就容易产生形成催化电极层的阴离子交换树脂中的离子交换基的恶化、催化电极层的剥落等。其结果是，会有作为固体高分子型燃料电池的耐久性降低的情况。

为了解决如上所述的问题，本发明人等提出了具有交联结构的催化电极层(例如参照专利文献1、2)的方案。该方法是在由包含导入了具有卤素原子的有机基的离子交换树脂的前驱体、多官能性季盐化剂(4級化剤)、以及电极用的催化剂的催化电极形成用组合物形成催化电极层时，使该卤素原子与多官能性季盐化剂反应而形成具有交联结构的催化电极层的方法。专利文献2中显示出，有效地利用该方法，将离子交换膜与催化电极层通过交联结构加以结合。根据这些方法，可以获得催化电极层与离子交换膜的接合性优异、耐久性优异的接合体。

但是，在这些方法中，由于在形成催化电极层时构成交联结构，因此无论怎样交联度都依赖于催化电极形成用组合物中所含的多官能性季盐化剂的配合量。即，由于在形成催化电极层时决定交联度，因此为了形成各种各样的交联度的催化电极层，需要每次都准备改变了多官能性季盐化剂的配合量的催化电极形成用组合物。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2003－86193号公报

专利文献2:国际公开第WO2007/072842小册子

发明内容

发明所要解决的问题

固体高分子型燃料电池在今后有望用于各种各样的领域中。由此，由于固体高分子型燃料电池的运转条件当然根据其用途而不同，因此需要形成最适于其运转条件的固体高分子型燃料电池(催化电极层)。因此，只要可以容易地制造交联度不同的催化电极层，就可以简化适用于各种用途的固体高分子型燃料电池的制造。

因此，本发明的目的在于，提供耐久性优异、并且交联度易于调整的催化电极层。进而目的还在于，提供该催化电极层的形成方法、该催化电极层与阴离子交换膜接合的层叠体及层叠体的制造方法、以及包含该层叠体的固体高分子型燃料电池。

用于解决问题的方案

本发明人等为了解决上述问题，进行了深入研究。其结果是发现如果考虑耐久性与生产率的平衡，则由形成特定的组成并且具有交联结构的阴离子传导性弹性体、以及电极用的催化剂构成的催化电极层可以解决上述问题。