[发明专利]催化剂电极层、膜-电极组件和燃料电池

说明书

本发明提供一种催化剂电极层、膜‑电极组件和燃料电池，所述催化剂电极层被构造为以与燃料电池的电解质膜接触的方式进行设置。每单位面积所述催化剂电极层的Fe含量等于或大于0μg/cm²且等于或小于0.14μg/cm²，且所述催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％。

技术领域

本发明涉及催化剂电极层、膜-电极组件和燃料电池。

背景技术

用于聚合物电解质燃料电池中的膜-电极组件包括传导质子的聚合物电解质膜、以及负极和正极，所述负极和正极是设置在电解质膜上的催化剂电极层。在燃料电池中，供给至膜-电极组件的氢气或氧气可以穿过电解质膜而不用于发电反应，并可以移动到与供给了氢气或氧气的电极相对的电极。在此情况中，可以在有氢气和氧气的电极侧产生过氧化氢(H₂O₂)。已知的是，催化剂电极层被产生自过氧化氢的过氧化氢自由基劣化。由此，日本专利申请公布2013-069534(JP 2013-069534 A)描述了包括隔膜的燃料电池，在所述隔膜中形成了用于向催化剂电极层供给水的加湿通道以便使用水来排出产生的过氧化氢自由基。

然而，对于抑制催化剂电极层劣化的技术仍存在改进的空间。本发明的发明人已经发现，为了改善膜-电极组件的耐久性，除了以使得如在上述现有技术中在燃料电池发电期间将催化剂电极层保持在潮湿状态的方式形成燃料电池之外，更优选使得催化剂电极层的吸水能力落在规定范围内。

发明内容

本发明的一方面涉及被构造为以与燃料电池的电解质膜接触的方式设置的催化剂电极层。每单位面积催化剂电极层的Fe含量等于或大于0μg/cm²且等于或小于0.14μg/cm²，且催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％。其中在电池温度为60℃、相对湿度为40％且发电电压为0.5V的条件下将包含所述催化剂电极层的燃料电池保持100小时之后，将在其中温度为100℃且相对湿度为0％的环境下将所述催化剂电极层干燥1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q1，将在其中温度为70℃且相对湿度为15％的环境下将所述催化剂电极层进一步保持1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q2，且将在其中温度为70℃且相对湿度为90％的环境下将所述催化剂电极层进一步保持1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q3时，所述吸水率满足如下关系：

吸水率＝(Q3-Q1)/Q1×100-(Q2-Q1)/Q1×100。

利用该构造，可改善催化剂电极层的耐久性。

本发明可以在各种方面实现。例如，本发明可以作为包括催化剂电极层的膜-电极组件、包括所述膜-电极组件的燃料电池及其制造方法、以及另外包括上述试验方法的膜-电极组件的制造方法来实现。

附图说明

下面将参考附图对本发明示例性实施方式的特征、优势和技术和工业意义进行说明，其中相似符号表示相似元件，且其中：

图1是显示根据本发明实施方式的燃料电池的示意性构造的说明图；

图2是显示根据实施方式的膜-电极组件的制造方法的流程图；

图3是显示关于试样#1～#11的吸水率与性能下降率之间关系的关系图；

图4是显示关于试样#1～#6和#9～#11的吸水率与电池电阻之间关系的关系图；

图5是显示关于试样#1～#6和#9～#11的吸水率与离聚物分解率之间关系的关系图；

图6是显示关于试样#3～#6和#9～#11的吸水率与Fe含量之间关系的关系图；

图7是显示关于试样#1～#6和#9的吸水率与相对湿度之间关系的关系图；