[发明专利]膜电极接合体及固体高分子型燃料电池

说明书

提供能够提高发电性能的膜电极接合体及固体高分子型燃料电池。本发明的一个方式涉及的用于固体高分子型燃料电池的膜电极接合体(10)具备：高分子电解质膜(11)、燃料电极侧电极催化剂层(12A)、以及氧电极侧电极催化剂层(12C)，燃料电极侧电极催化剂层(12A)和氧电极侧电极催化剂层(12C)各自包含空隙，该空隙包含直径在3nm以上5.5μm以下的范围内的细孔，在将燃料电极侧电极催化剂层(12A)和氧电极侧电极催化剂层(12C)中的全部细孔的细孔容积进行积分而得的值设为第1积分容积的情况下，第1积分容积除以两个电极催化剂层中所含的催化剂物质的质量而得的值在2.8以上4.5以下的范围内。

技术领域

本发明涉及膜电极接合体及固体高分子型燃料电池。

背景技术

燃料电池通过氢与氧的化学反应来产生电流。与常规的发电方式相比，燃料电池具有高效率、低环境负荷、并且只有较低的噪音，作为清洁能源而受到关注。特别是，能够在室温附近使用的固体高分子型燃料电池被认为有望应用于车载用电源、家庭用固定电源等。

固体高分子型燃料电池通常具有通过层叠多个单电池而成的结构。单电池具有通过由2个隔板夹着1个膜电极接合体而成的结构。膜电极接合体具备高分子电解质膜、供给燃料气体的燃料电极(阳极)以及供给氧化剂的氧电极(阴极)。燃料电极接合到高分子电解质膜的第1面上，氧电极接合到与第1面相反的第2面上。隔板具有气体流路和冷却水流路。燃料电极和氧电极各自具备电极催化剂层和气体扩散层。在各电极中，电极催化剂层与高分子电解质膜接触。电极催化剂层包含铂系贵金属等的催化剂物质、导电性载体以及高分子电解质。气体扩散层兼具透气性和导电性。

固体高分子型燃料电池通过以下电化学反应而产生电流。首先，在燃料电极的电极催化剂层中，燃料气体中所含的氢被催化剂物质氧化，产生质子和电子。所产生的质子通过电极催化剂层内的高分子电解质以及高分子电解质膜而到达氧电极的电极催化剂层。与质子同时产生的电子则通过电极催化剂层内的导电性载体、气体扩散层、隔板以及外部电路而到达氧电极的电极催化剂层。在氧电极的电极催化剂层中，质子和电子与氧化剂气体中所含的氧反应而生成水。

气体扩散层使从隔板供给的气体扩散，并将该气体供给至电极催化剂层。电极催化剂层具有细孔，该电极催化剂层的细孔输送气体和产生的水等多种物质。燃料电极的细孔需要具有将燃料气体顺利地供给到作为氧化还原的反应场所的三相界面的功能。氧电极的细孔需要具有将氧化剂气体顺利地供给到电极催化剂层内的功能。为了顺利地供给燃料气体和氧气，进而为了提高燃料电池的发电性能，电极催化剂层在细孔之间需要设置间隔以抑制细孔的致密分布。作为抑制细孔的致密分布的结构，例如提出了包含碳颗粒或碳纤维的电极催化剂层(例如，参照专利文献1、2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开10-241703号公报

专利文献2：日本专利第5537178号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1中，通过组合具有彼此不同的粒径(平均一次粒径)的碳颗粒，从而可以抑制电极催化剂层中的细孔的分布变得致密。另外，在专利文献2中，通过组合具有彼此不同的长度的碳纤维，从而可以抑制电极催化剂层中的细孔的分布变得致密。另一方面，即使是碳颗粒的粒径的组合彼此相同的层，根据层的组成和形成层的条件等，细孔的大小和细孔的分布也可能会彼此不同。另外，即使是碳纤维的长度的组合彼此相同的层，同样地，细孔的大小和细孔的分布也可能会彼此不同。由于燃料电池的发电性能根据细孔的大小和细孔的分布而极大地发生变化，因此，从提高发电性能的观点来看，在使用碳颗粒的组合或碳纤维的组合的方法中仍然存在有改进的余地。

本发明是鉴于上述那样的情况而完成的，目的在于提供能够提高发电性能的膜电极接合体及固体高分子型燃料电池。

用于解决课题的手段