[发明专利]燃料电池用接合体、燃料电池和燃料电池的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用接合体、燃料电池以及该燃料电池的制造方法。

背景技术

作为解决环境问题和资源问题的对策之一，以氧、空气等氧化性气体、和氢、甲烷等还原性气体(燃料气体)或甲醇等液体燃料等为原料，通过电化学反应将化学能转化成电能进行发电的燃料电池受到关注。燃料电池，夹着电解质膜而对置地在电解质膜的一个面上设置燃料极(阳极催化剂层)、在另一个面上设置空气极(阴极催化剂层)，在夹持电解质膜的各催化剂层的外侧再设置扩散层，利用设置有供给原料用的通路的隔板夹着它们而构成电池，向各催化剂层供给氢、氧等原料进行发电。

在燃料电池发电时，供给至燃料极的原料为氢气、供给至空气极的原料为空气的场合，在燃料极上，由氢气发生氢离子和电子。电子从外部端子通过外部电路到达空气极。在空气极上，由所供给的空气中的氧、通过电解质膜的氢离子和通过外部电路到达空气极的电子生成水。这样在燃料极和空气极引起化学反应，发生电荷作为电池发挥功能。这种燃料电池，发电所使用的原料气体或液体燃料丰富地存在，并且根据该发电原理排出的物质是水，等等，因此作为清洁能源进行了种种的研究。

燃料电池的催化剂层，通常含有担载了铂(Pt)等的担载有催化剂的碳等的担载有催化剂的粒子、和固体高分子电解质等的树脂而构成。

对于这样的燃料电池，由电解质膜中水分不足的干涸现象、由于生成水而妨碍氧、氢等原料的供给的液泛(flooding)现象引起的燃料电池性能的降低成为问题，因此进行了电极构成、电极中使用的燃料电池用催化剂等的改良的种种研讨。即，为了使燃料电池的发电性能提高，必须进行顺利的原料供给和生成水排出。

例如，日本国特开2005-243622号公报记载了一种固体高分子电解质型燃料电池的膜·电极接合体的制造方法，催化剂层为第一催化剂层、和粒径相对地小于该第一催化剂层的第二催化剂层这两层，该制造方法包括：在气体扩散层上涂布第一催化剂层并干燥后，在第一催化剂层上再涂布、干燥形成第二催化剂层的工序。

另外，日本国特开2005-116416号公报记载了使催化剂层中的碳粒径在扩散层侧大、在电解质膜侧小的燃料电池。

另外，日本国特开2003-303596号公报记载了：在高分子电解质型燃料电池中，使催化剂层为多层，特别是使与电解质膜接触的侧的催化剂层为致密的层，与扩散层接触的侧的催化剂层为疏松的层。

另外，日本国特开平8-162123号公报记载了：使按阳极集电体/阳极催化剂层/高分子电解质膜/阴极催化剂层/阴极集电体的顺序层叠的电化学电池的两催化剂层的至少一方凝聚的催化剂粒子的粒径越接近于高分子电解质膜越小、且越接近于集电体越大地分布。

另外，日本国特开平2-18861号公报记载了：在燃料电池用电极催化剂层中，具有：关于催化剂粒子的粒径具有在电极基材侧大、在电解液层侧小的粒度梯度的催化剂粒子。

另外，日本国专利第3098219号公报记载了：在具备担载在碳上的金属催化剂的固体高分子型的燃料极催化剂中，金属催化剂是将平均粒子直径不同的金属催化剂混合而构成，使一方的金属催化剂的平均粒子直径为另一方的金属催化剂的平均粒子的1.5倍以上。通过这样地规定金属催化剂的粒径，能够长时间维持催化剂的抗CO中毒性能。

另外，日本国特开2003-109606号公报记载了：在高分子电解质型燃料电池中，使采用造孔剂形成的催化剂层中的细孔的大小，从与高分子电解质膜接触的侧朝向气体扩散层侧沿厚度方向变化。

另一方面已知：使用含有担载了铂(Pt)等的担载有催化剂的碳等的担载有催化剂的粒子、和固体高分子电解质等的树脂的催化剂粉体形成催化剂层。例如，国际公开第01/099216号记载了：催化剂层含有一次粒子的粒径不超过150nm的导电体粒子，该导电体粒子采用担载催化剂和氢离子导电性高分子电解质，并且造粒成3μm以上15μm以下的多次粒子构成。在该国际公开第01/099216号中，采用下述等等的混合粉体制造方法制造上述多次粒子：向担载了催化剂的导电体微粒子流动的干燥气氛中，以雾状喷出氢离子导电性高分子电解质的溶液或分散液的方法，或者，采用利用力学化学效果的粉体混合方式将担载了催化剂的导电体微粒子和氢离子导电性高分子电解质进行混合的方法。