膜電極接合體及燃料電池的制作方法
【專利說明】膜電極接合體及燃料電池
[0001]本申請主張基于2014年11月13日提出的申請?zhí)枮?014-230631號的日本專利申請的優(yōu)先權(quán)，并將其公開的全部內(nèi)容通過參照并入本申請中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及膜電極接合體和具備膜電極接合體的燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池具備在電解質(zhì)膜的面上依次層疊催化劑層和氣體擴(kuò)散層而成的膜電極接合體。以往，如JP2010-251140A記載那樣，在將催化劑層分成與電解質(zhì)膜相接的第一層部分、與氣體擴(kuò)散層相接的第二層部分、位于上述第一與第二層部分之間的第三層部分時，使上述第一和第二層部分的各自的離聚物量比所述第三層部分的離聚物量多的技術(shù)為人所知。由此，除了能夠?qū)崿F(xiàn)減少氫離子(H+。也稱為“質(zhì)子”)的移動阻力和提高氣體擴(kuò)散性之外，還能夠防止電解質(zhì)膜及催化劑層的含水量的下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明要解決的課題
[0005]但是，根據(jù)上述以往的技術(shù)，由于催化劑層的厚度增大而存在膜電極接合體整體的厚度增大的課題。此外，希望低成本化、省資源化、制造的容易化等。
[0006]用于解決課題的方案
[0007]本發(fā)明為了解決上述課題的至少一部分而作出，能夠作為以下的方式實(shí)現(xiàn)。
[0008](I)本發(fā)明的一方式是膜電極接合體。膜電極接合體可以具備:電解質(zhì)膜；催化劑層，形成于上述電解質(zhì)膜的面上，并包含催化劑和離聚物；及氣體擴(kuò)散層，形成于上述催化劑層的與上述電解質(zhì)膜相反一側(cè)的面上。上述催化劑層可以具有與上述電解質(zhì)膜相接的第一層和與上述氣體擴(kuò)散層相接的第二層。在上述第一層中與上述電解質(zhì)膜相接的第一部分的離聚物量多于在上述第一層中與上述第二層相接的第二部分的離聚物量。在上述第二層中與上述氣體擴(kuò)散層相接的第三部分的離聚物量多于上述第一部分的離聚物量。在此，“離聚物量”是指每單位體積(Icm3)的離聚物的質(zhì)量(g)。例如，在第一部分的體積為Val (cm3)且第一部分包含的離聚物的質(zhì)量為Mal (g)的情況下，第一部分的離聚物量為Mal/Val (g/cm3)。另外，當(dāng)計(jì)算離聚物量時，將作為計(jì)算對象的部分分割成多個塊，對每個塊計(jì)算離聚物量，將每個塊的離聚物量的平均作為各個部分的離聚物量。在權(quán)利要求書及本說明書中，在言及離聚物量時是指相同的意思。
[0009]根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的膜電極接合體，在第二層中與氣體擴(kuò)散層相接的第三部分的離聚物量多于在第一層中與電解質(zhì)膜相接的第一部分的離聚物量。第一部分的離聚物量少于第三部分的離聚物量，因此與第一部分和第三部分的離聚物量相同的結(jié)構(gòu)相比，能夠減少催化劑層整體的厚度。通常，離聚物的量越少，與相鄰的層的緊貼力越下降。但是，在與第一部分相接的電解質(zhì)膜中包含離聚物。因此，即使減小第一部分的離聚物量，由于電解質(zhì)膜包含的離聚物發(fā)揮修復(fù)功能，因此與電解質(zhì)膜之間的緊貼力也不會減少。因此，即使第一部分的離聚物量比第三部分的離聚物量減少，也能夠在保持了與電解質(zhì)膜之間的緊貼力的狀態(tài)下減少催化劑層整體的厚度。因此，該膜電極接合體起到能夠減少厚度這樣的效果。另外，在第一層中與電解質(zhì)膜相接的第一部分的離聚物量多于在第一層中與第二層相接的第二部分的離聚物量多，因此能夠減少質(zhì)子的移動阻力。
[0010](2)在上述方式的膜電極接合體的基礎(chǔ)上，當(dāng)將上述催化劑層的厚度設(shè)為D時，上述第二層的厚度可以為0.05 -D以下。根據(jù)該膜電極接合體，厚度減薄，相應(yīng)地能夠減少離聚物量，能夠提高排水性。由此，第二層與氣體擴(kuò)散層之間的含水量減少，氣體擴(kuò)散阻力降低，因此燃料電池的發(fā)電性能提高。
[0011](3)本發(fā)明的另一方式是燃料電池。燃料電池可以具備上述方案的膜電極接合體和夾持上述膜電極接合體的一對分隔件。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于能夠減小膜電極接合體的厚度，因此能夠使燃料電池緊湊化。
【附圖說明】
[0012]圖1A是表示具備作為本發(fā)明的一實(shí)施方式的膜電極接合體的單電池的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0013]圖1B是表示具備作為本發(fā)明的一實(shí)施方式的膜電極接合體的單電池的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0014]圖2是示意性地表示陰極催化劑層的狀態(tài)的說明圖。
[0015]圖3是表示陰極催化劑層的結(jié)構(gòu)和離聚物量的分布的說明圖。
[0016]圖4是表示膜電極接合體的制造方法的工序圖。
[0017]圖5是表示第二層的厚度與氣體擴(kuò)散阻力的關(guān)系的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]接下來，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0019]A.整體結(jié)構(gòu):
[0020]圖1是表示具備作為本發(fā)明的一實(shí)施方式的膜電極接合體10的單電池I的概略結(jié)構(gòu)的圖。圖1A是單電池I的分解立體圖。圖1B是圖1A的B-B截面的示意圖。通過層疊多個單電池I而構(gòu)成電池組結(jié)構(gòu)，由此構(gòu)成固體高分子型燃料電池FC。固體高分子型燃料電池FC是通過利用兩塊端板夾持層疊體的兩側(cè)而制作的，上述層疊體是層疊多個單電池I而成的。如圖1A所示，單電池I具備在電解質(zhì)膜11的兩面上分別形成有陰極12和陽極13的膜電極接合體10、夾持膜電極接合體10的分隔件20、22。為了圖示方便，陰極12存在于被電解質(zhì)膜11遮擋的位置。如圖1B所示，陰極12具備形成于電解質(zhì)膜11的一方的面上的陰極催化劑層15和形成于陰極催化劑層15上的陰極氣體擴(kuò)散層18。另外，陽極13具備形成于電解質(zhì)膜11的另一方的面上的陽極催化劑層14和形成于陽極催化劑層14上的陽極氣體擴(kuò)散層16。另外，本說明書中的“膜電極接合體”是指將電解質(zhì)膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層按該順序?qū)盈B的結(jié)構(gòu)物。
[0021]電解質(zhì)膜11由具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的固體高分子電解質(zhì)形成。具體而言，使用由氟化磺酸高分子樹脂制作的固體高分子電解質(zhì)膜(例如，Naf1n(杜邦公司的注冊商標(biāo)))。催化劑層14、15由保持催化劑的載體和覆蓋載體的周圍的離聚物形成。具體而言，例如由保持鉑的碳粒子和離聚物形成。催化劑層14、15的具體的結(jié)構(gòu)和制作方法在后文敘述。氣體擴(kuò)散層16、18由具有氣體透過性且導(dǎo)電性良好的材料形成。作為這種材料，可使用例如碳紙或碳布。
[0022]分隔件20、22由氫透過性低且導(dǎo)電性良好的材料形成。作為這種材料，可使用例如在樹脂中混入了導(dǎo)電材料而成形的材料。分隔件20、22是配置在單電池I內(nèi)而形成供反應(yīng)氣體(含有氫氣的燃料氣體和含有氧的氧化氣體)流動的氣體流路的部件。在分隔件20,22的兩面上為了形成氣體流路而形成有槽26、28。具體而言，如圖1A、圖1B所示，燃料氣體在形成于分隔件20的兩個面中的與陽極13相接的面上的槽28內(nèi)流動，氧化氣體在形成于分隔件22的兩個面中的與陰極12相接的面上形成的槽26內(nèi)流動。另外，分隔件20、22分別在一方的面上形成槽26，并且在另一方的面上形成槽28。
[0023]分隔件20、22在它們接近外周的相互對應(yīng)的位置具備貫通孔30、31、32、34。在層疊多個單電池I而組裝成燃料電池的情況下，貫通孔30、31、32、34相互重合，形成沿著單電池I的層疊方向貫通燃料電池內(nèi)部的流路。即，貫通孔30、31、32、34形成向槽26、28供給反應(yīng)氣體的反應(yīng)氣體供給歧管和排出通過了陰極12或陽極13的反應(yīng)氣體的反應(yīng)氣體排出歧管。在本實(shí)施方式中，與槽26的一端連通的貫通孔32形成供從燃料電池的外部供給的氧化氣體流動的氧化氣體供給歧管。與槽26的另一端連通的貫通孔34形成供通過了陰極12的氧化氣體流動的氧化氣體排出歧管。另外，與槽28的一端連通的貫通孔30形成供從燃料電池的外部供給的燃料氣體流動的燃料氣體供給歧管。與槽28的另一端連通的貫通孔31形成供通過陽極13的燃料氣體