[发明专利]膜-电极接合体及其制造方法、以及固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及膜-电极接合体及其制造方法、以及固体高分子型燃料电池。

背景技术

作为一次电池、二次电池或固体高分子型燃料电池等的电解质膜，使用由具有质子传导性的高分子电解质形成的高分子电解质膜。

固体高分子型燃料电池通常具有在电解质膜的两面上形成含有促进氢气与氧气的氧化还原反应的催化剂物质的被称为催化剂层(阳极催化剂层和阴极催化剂层)的电极，进一步在催化剂层的外侧设置用于有效地向催化剂层供给气体的气体扩散层的结构。催化剂层中通常含有由催化剂物质及负载该催化剂物质的载体构成的催化剂载体、和具有质子传导性的高分子电解质。

以往，作为构成高分子电解质膜和催化剂层的高分子电解质，例如主要对以ナフイオン(デユポン社的注册商标)为代表的氟系高分子电解质的使用进行了研究(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开平5-182671号公报

发明内容

本发明人为了进一步改良燃料电池，着眼于催化剂层的催化剂负载率进行了研究。结果发现，通过提高含有铂的催化剂载体的催化剂负载率，可以进一步提高发电特性。

而进一步研究的结果可知，若催化剂负载率提高，则存在膜-电极接合体的耐久性降低的趋势。使用燃料电池时，重复未施加负荷的断路状态和施加负荷的闭路状态，而催化剂负载率高的情况下，若重复施加这种负荷循环则存在发电特性特别显著地降低的问题。

因此，本发明的目的在于，提供即使在催化剂层中的催化剂负载率高的情况下，也得到充分的耐久性的膜-电极接合体。

本发明人为了解决上述问题而进行了深入研究，结果发现，通过使用特定的高分子电解质作为催化剂层中使用的高分子电解质，显著地提高膜-电极接合体的耐久性，基于上述发现进行了进一步研究，结果完成了本发明。

即，第一方面，本发明涉及的膜-电极接合体，是具有相向设置的阳极催化剂层及阴极催化剂层，和设置在阳极催化剂层与阴极催化剂层之间的高分子电解质膜的膜-电极接合体。本发明涉及的膜-电极接合体中，阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少一方含有选自铂和含铂的合金中的至少1种催化剂物质负载在载体上而成的催化剂载体、和烃系高分子电解质，催化剂载体中的催化剂物质的负载率为60质量％以上。

根据上述本发明涉及的膜-电极接合体，可以维持通过60质量％以上的高催化剂负载率的催化剂载体实现的高发电性能，同时得到充分的耐久性。

在上述本发明涉及的膜-电极接合体中，优选高分子电解质膜也含有烃系高分子电解质。由此，发电特性得到进一步改善。从同样的观点考虑，高分子电解质膜中的烃系高分子电解质更优选为含有由具有离子交换基团的重复单元构成的第一嵌段、和实质上由不具有离子交换基团的重复单元构成的第二嵌段的嵌段共聚物。

另一方面，本发明涉及用于制造上述本发明涉及的膜-电极接合体的制造方法。本发明涉及的制造方法具有使用催化剂油墨形成阳极催化剂层和/或阴极催化剂层的步骤，其中所述催化剂油墨含有选自水和亲水性溶剂中的溶剂、催化剂物质和烃系高分子电解质，并且该烃系高分子电解质的至少一部分分散在上述溶剂中。此时，优选通过将该催化剂油墨涂布在高分子电解质膜上，从涂布后的催化剂油墨除去溶剂来形成催化剂层。

根据该方法，与使用含有烃系高分子电解质的以往的催化剂油墨的情况相比，可以形成催化剂层而不会显著损害高分子电解质的特性，因此通过与上述催化剂载体的协同作用，得到发电特性更进一步优异的膜-电极接合体。进一步地，此时优选通过喷雾法将催化剂油墨直接涂布在高分子电解质膜上。通过喷雾法，高分子电解质膜与催化剂层的接合状态更紧密，发电特性进一步提高。

进一步地，另一方面，本发明涉及具有上述本发明涉及的膜-电极接合体的固体高分子型燃料电池。本发明涉及的固体高分子型燃料电池使用烃系高分子电解质的同时，可以发挥充分优异的耐久性。

根据本发明，提供即使在催化剂层中的催化负载率高的情况下，也得到充分的耐久性的膜-电极接合体。进一步地，通过提高催化剂负载率，可以显著地提高低加湿条件等条件下的发电性能。

此外，由于使用烃系高分子电解质，不存在如通常使用的氟系高分子电解质时那样排出氟离子的问题，进一步在低成本化方面也是有利的。

附图说明

[图1]为表示燃料电池的一个实施方式的截面图。

符号说明