[发明专利]膜电极组件和固体聚合物燃料电池

说明书

本发明提供了一种膜电极组件，该膜电极组件包括纳米结构化薄膜催化剂作为阳极电极催化剂，该膜电极组件对湿度变化具有稳健性。另外，本发明提供了一种包括该膜电极组件的固体聚合物燃料电池。本公开的实施方案的膜电极组件包括电解质膜；阳极电极催化剂层，该阳极电极催化剂层与电解质膜接触；阳极气体扩散层；以及氟化聚合物层，该氟化聚合物层与阳极电极催化剂层接触，位于阳极电极催化剂层和阳极气体扩散层之间。该阳极电极催化剂层包括多个纳米结构元件，这些纳米结构元件包括负载纳米级催化剂颗粒的针状微结构化载体晶须；并且该氟化聚合物层包含已经以网络形式分散的完全氟化的聚合物颗粒或部分氟化的聚合物颗粒中的一种。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月20日提交的日本专利申请2016-246631的权益，该专利申请的公开内容以引用方式全文并入本文。

技术领域

本公开涉及一种膜电极组件和固体聚合物燃料电池。

背景技术

在设置有通过集成阳极电极、聚合物电解质膜(PEM)和阴极电极而获得的膜电极组件(MEA)的固体聚合物燃料电池中，由于诸如氢气的燃料气体与诸如空气的氧化剂气体的电化学反应而在燃料电池的操作期间产生水。如果过量的所产生的水作为液态水积聚在膜电极组件的电极内，那么将发生所谓的“溢流”。即，对包括在阳极电极或阴极电极中的催化剂的燃料气体或氧化剂气体的供应将受到液态水的抑制。如此，需要容易地将水从膜电极组件的电极排出。

发明内容

在一个方面，本公开描述了一种用于制造用于固体聚合物燃料电池的膜电极组件的方法，该固体聚合物燃料电池包括阳极、阴极和聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜由催化剂和离子交换膜形成并且设置在阳极和阴极之间；其中阳极和/或阴极由气体扩散电极形成，该气体扩散电极包括气体扩散层基底和包含催化剂和离子交换树脂的催化剂层。该制造方法包括：催化剂层形成步骤，其中在离子交换膜的至少第一表面上形成催化剂层；防水碳层形成步骤，其中使用通过将炭黑分散在基本上不含离子交换基团的溶剂可溶的含氟聚合物溶液中获得的液体在该催化剂层上形成防水碳层；以及气体扩散层基底设置步骤，其中邻近该防水碳层设置气体扩散层基底。

在另一个方面，本公开描述了一种燃料电池，该燃料电池包括固体聚合物电解质膜以及被布置以便夹住该电解质膜的燃料电极和空气电极；其中该空气电极包括反应层和来自电解质膜侧的气体扩散层；在该燃料电池中，在该气体扩散层的反应层侧的表面上设置有包含防水材料的产生水调节层，在该产生水调节层和该反应层之间设置中间层；该中间层包含防水材料和亲水材料；并且在防水材料中设置浓度梯度，以使得防水材料的浓度从该产生水调节层朝向反应层逐渐降低。

膜电极组件的电极催化剂层中使用的纳米结构薄膜(NSTF)催化剂包括多个纳米结构元件，这些纳米结构元件包括负载纳米级催化剂颗粒的针状微结构化载体晶须。这些纳米级催化剂颗粒具有由通过用铂涂覆针状微结构化载体晶须形成的一个层构成的纳米结构。这些纳米级催化剂颗粒也可具有由通过用铂和另一种金属(诸如镍、钴、锰或铁)交替涂覆针状微结构化载体晶须形成的多个层构成的纳米结构。在NSTF催化剂中，包括铂的连续薄膜作为燃料电池的电极起着多种重要作用。这些作用的示例包括阳极电极处的解离吸附、质子传输和电子传输。

由于NSTF催化剂具有连续的薄膜结构的事实，因此每单位质量铂的表面积小于通过将铂纳米颗粒分散在炭黑颗粒表面上获得的通用铂-碳催化剂的表面积。NSTF催化剂与通用铂-碳催化剂相比具有更高的比活性，但这一高比活性可被这种不期望的特征抵消。如此，在NSTF催化剂中，期望保持一种液态水不覆盖铂的表面以使得燃料气体和氧化剂气体能够到达催化剂的状态。换句话讲，由于NSTF催化剂中的溢流引起的性能劣化是需要特别注意的问题。溢流的发生和流场分隔体的设计密切相关。通常，在具有较短长度和较大横截面积的流动通道中易于发生溢流，因为燃料气体和/或氧化剂气体在其中流动的流速较低。