[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

现在，石油资源的枯竭成为重大的问题，并且化石燃料的消耗引起大气污染或全球变暖等环境问题日益严重。这种情况下，燃料电池作为不伴随有二氧化碳的产生的清洁电源受到瞩目并得到开发的同时，一部分已经开始实用化。

将该燃料电池搭载在汽车等中时，从易得到高电压和大电流方面考虑，优选使用具有高分子电解质膜的固体高分子型燃料电池。固体高分子型燃料电池通常具有由一对电极催化剂层和夹在该一对电极催化剂层之间的可以进行离子传导的高分子电解质膜构成的膜-电极接合体(以下有时简称为“MEA”)。作为电极催化剂层，已知通过质子传导性的高分子电解质将在炭黑等载体上负载铂等催化剂物质而成的催化剂载体粘合得到的电极催化剂层。在各电极催化剂层上层压气体扩散层，构成固体高分子型燃料电池。此外，有时在各电极催化剂层上层压兼具气体通路功能的隔板。

对于构成MEA的高分子电解质膜、以及电极催化剂层中使用的质子传导性高分子电解质，现在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。但是，氟系高分子电解质被指出存在排出氟离子而对环境有负荷、非常昂贵、耐热性低等问题。

这种情况下，近年可以替代氟系高分子电解质的廉价的特性优异的高分子电解质的开发活跃，特别是作为不含有氟原子作为主要构成成分的高分子电解质的烃系高分子电解质受到瞩目。烃系高分子电解质膜在可以廉价地制造、耐热性高而耐高温下的工作、易再利用等方面，与氟系高分子电解质膜相比优异，因此对作为适用于MEA的高分子电解质膜进行了研究。进一步地，近年处处可见利用烃系高分子电解质的再利用性，使用烃系高分子电解质作为适用于电极催化剂层(以下根据情况有时称为“催化剂层”)的离子传导性(イオン伝導性)高分子电解质的MEA。例如，专利文献1中，为了防止因运转时排出的水分或漏气引起的发电特性的降低，提出了将各电极催化剂层的催化剂粒子的重量与高分子离子交换成分的比控制在规定的范围内的方法。

专利文献1：日本专利第3689322号公报

发明内容

但是，将烃系高分子电解质用于高分子电解质膜和电极催化剂层双方的MEA与使用氟系高分子电解质作为电极催化剂层用的离子传导性高分子电解质的以往的MEA相比，发电特性低，至少在该方面有必要进行进一步的改善。

因此，本发明的目的在于，在使用烃系高分子电解质的固体高分子型燃料电池中，实现发电特性的进一步改善。

本发明人为了解决上述问题而进行了深入研究，结果发现，使用烃系高分子电解质作为电极催化剂层用的离子传导性高分子电解质的MEA的情况下，阳极催化剂层与阴极催化剂层中离子交换基团的密度相互不同时，可以提高燃料电池的发电特性，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(MEA)。本发明涉及的MEA中，高分子电解质膜包含具有离子交换基团的烃系高分子电解质，阳极催化剂层和阴极催化剂层含有催化剂和具有离子交换基团的烃系高分子电解质。阳极催化剂层的离子交换基团密度为α[μeq/cm²]、阴极催化剂层的离子交换基团密度为β[μeq/cm²]时，α和β满足下述关系式(1)、(2)和(3)。

β/α＞1.0    ...(1)

α＜0.45      ...(2)

β＜0.85      ...(3)

在上述MEA中，高分子电解质膜中的烃系高分子电解质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。由此，可以进一步显著地得到发电特性的提高效果。

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且该烃系高分子电解质的至少一部分分散在上述溶剂中的催化剂油墨，形成阳极催化剂层和/或阴极催化剂层的步骤。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。