[发明专利]电解质膜－电极接合体

说明书

技术领域

本发明涉及电解质膜－电极接合体。本发明特别涉及固体高分子形燃料电池(PEFC)所使用的电解质膜－电极接合体。

背景技术

近年来，与以能源、环境问题为背景的社会需求及动向相呼应，燃料电池作为车辆用驱动源及固定型电源而受到关注。燃料电池根据电解质的种类或电极的种类等而分类成各种类型，作为代表性的燃料电池，具有碱型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型、固体高分子型。其中，在低温(通常100℃以下)下可动作的固体高分子型燃料电池(PEFC)最受关注，近年来，作为汽车用低公害动力源的开发和实用化正在进展。

PEFC的构成通常为由隔板夹持膜－电极接合体(MEA)的构造。MEA通常具有阴极气体扩散层(GDL)、阴极催化剂层、固体高分子电解质膜、阳极催化剂层以及阳极气体扩散层层叠的构造。

在MEA中，进行如下所述的电化学反应。首先，供给到阳极(燃料极)侧的燃气中含有的氢通过催化剂而被氧化，成为质子及电子。其次，生成的质子穿过阳极侧催化剂层中含有的高分子电解质，进而穿过与阳极侧催化剂层接触的固体高分子电解质膜，到达阴极(空气极)侧催化剂层。另外，由阳极侧催化剂层生成的电子穿过构成阳极侧催化剂层的导电性载体，进而穿过与阳极侧催化剂层的不同于固体高分子电解质膜的一侧接触的气体扩散层、气体隔板及外部电路，到达阴极侧催化剂层。然后，到达阴极侧催化剂层的质子及电子与供给到阴极侧催化剂层的氧化剂气体中含有的氧发生反应，生成水。在燃料电池中，通过上述的电化学反应能够将电取出到外部。

另外，在PEFC中，在固体高分子电解质膜的质子传导性的维持上需要水，但将因该水的不足而不能继续发电的现象称为干旱。另一方面，如上所述，在阴极中能够生成水，但将因该水滞留于催化剂层、GDL、隔板等而使氧难以向阴极催化剂层扩散且不能继续发电的现象称为水淹。作为增强耐旱性的措施，考虑使用能够使阴极的生成水迅速返回到阳极的电解质膜及减小自MEA内的水的排出。另外，作为增强耐淹性的措施，考虑使用能够使由阴极生成的生成水迅速返回到阳极的电解质膜及增大自MEA内的水的排出。但是，在作为增强耐旱性及耐淹性的措施而记载的后者的措施(水的排出的控制)中，二者成为折衷的关系，难以兼得这两者。

针对该课题，报道了在电极催化剂层和气体扩散层之间设有可提高水的保持性的保水层的文献(专利文献1)。

但是，在专利文献1记载的MEA中，虽然通过保水层的设置，耐旱性提高，但湿润条件下的耐淹性劣化。因此，使用专利文献1记载的MEA的燃料电池的发电性能不够充分。

专利文献1：(日本)特开2004－158388号公报

发明内容

因此，本发明是鉴于上述情况而设立的，其目的在于提供一种能够兼得耐旱性和耐淹性这二者的电解质膜－电极接合体。

本发明者们为了解决上述问题而进行了深入研究。其结果发现，通过在阳极及阴极气体扩散层分别设置阳极及阴极微细多孔质层，且减小阳极侧的微细多孔质层的相对气体扩散系数，能够解决上述课题，以至于完成了本发明。

根据本发明，通过将相对气体扩散系数小的阳极微细多孔质层设于阳极侧，能够确保阳极侧的催化剂层和GDL之间的保水性，能够抑制干燥条件的干旱。除上述以外，通过在阴极上设置相对气体扩散系数大的阳极微细多孔质层，能够确保阴极的生成水的排出性，能够抑制湿润条件的阴极水淹。其结果是，本发明的电解质膜－电极接合体能够兼得耐旱性和耐淹性这二者。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的固体高分子形燃料电池(PEFC)的基本构成的概略图；

图2是表示本发明第二实施方式的固体高分子形燃料电池(PEFC)的基本构成的概略图；

图3是表示本发明的优选实施方式的阳极微细多孔质层的基本构成的概略剖面图；

图4是用于对构成本发明的阳极气体扩散层的阳极微细多孔质层的扁平状导电性材料(鳞片状石墨)的形状进行说明的侧面图(图4A)及平面图(图4B)。

图5是表示实施例1及比较例1～3的MEA的各相对湿度下的发电性能评价的曲线图；

图6是表示实施例2～4及比较例1的MEA的各相对湿度下的发电性能评价的曲线图。

具体实施方式