[发明专利]膜电极接合体及其制造方法、以及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及作为燃料气体使用纯氢气、甲醇等液体燃料、或者来自化石燃料等的改性氢气等的还原剂，作为氧化剂气体使用空气(氧气)等的燃料电池，详细涉及该燃料电池具备的膜电极接合体及其制造方法。

背景技术

对于燃料电池例如高分子电解质型燃料电池，通过使含有氢气的燃料气体和含有空气等氧气的氧化剂气体在具有铂等的催化剂的气体扩散层进行电化学反应，由此同时产生电力和热。

图30是示意表示现有的高分子电解质型燃料电池的基本结构的剖面图。高分子电解质型燃料电池的单体电池(也称为电池单元)100具有：膜电极接合体110(以下，称为MEA：Membrane Electrode Assembly)和在MEA110的两面配置的一对板状的导电性的隔离器120、120。

MEA110具备：选择性地输送氢离子的高分子电解质膜(离子交换树脂膜)111、和在该高分子电解质膜111的两面形成的一对电极层112。一对电极层112具有：催化剂层113，将承载铂系金属催化剂的碳粉末作为主要成分；和气体扩散层114(也称为GDL)，在该催化剂层113上形成，具有集电作用、气体透过性和憎水性。气体扩散层114由基材115和表面涂层(憎水碳层)116构成，该基材115由碳纤维组成，该表面涂层116由碳和憎水材料组成。

在一对的隔离器120、120，分别在与气体扩散层114抵接的主面，设有用于使作为反应气体的燃料气体或氧化剂气体流过的矩形截面的气体通路121。设置在一个隔离器120的气体通路121是用于通过燃料气体的燃料气体通路，设置在另一个隔离器的气体通路121是用于通过氧化剂气体的氧化剂气体通路。此外，在一对隔离器120、120的彼此相邻的面设有冷却水通路122，用于通过冷却水等。通过一个气体通路121向一个电极层112提供燃料气体，并且通过另一个气体通路121向另一个电极层112提供氧化剂气体，从而引起电化学反应，产生电力和热。

如上述那样构成的电池单元100如图30所示层叠一个以上，一般情况下将彼此相邻的电池单元100串联电连接来使用。另外，此时彼此层叠的电池单元100为了防止气体泄漏且降低接触电阻，由螺栓等的连结部件130以规定的连结压进行加压连结。因此，MEA110与隔离器120以规定的压力面接触。此时，隔离器120具有用于将彼此相邻的MEA110、110串联电连接的集电性。此外，为了防止电化学反应所需的气体泄漏至外部，在一对隔离器120、120之间以覆盖催化剂层113和气体扩散层114的侧面的方式配置密封部件(衬垫)117。

近年来，在燃料电池的领域中要求更低的成本，从降低各构成部件的单价、削减部件数量等观点出发，提出了各种低成本化的技术。作为其中一种提出了如下技术：不将气体通路121设置在隔离器120，而是设置在气体扩散层114。

在图30所示的现有的燃料电池中，在隔离器120设置气体通路121。作为实现该结构的方法，例如有如下方法，即：作为隔离器120的材料使用碳和树脂，使用具有对应于气体通路121的形状的矩形截面的凸部的模具对其进行射出成型。然而，该情况下存在制造成本较高的问题。此外，作为实现上述结构的其他方法，还有作为隔离器120的材料使用金属，利用具有对应于气体通路121形状的矩形截面的凸部的模具对该金属进行轧制的方法。然而，该情况下尽管与上述射出成型法相比能够实现低成本化，但是另一方面存在隔离器120容易腐蚀，从而作为燃料电池的发电性能下降的问题。

再有，气体扩散层114为了具备气体扩散性，由多孔材质部件构成。因此，将气体通路121形成在气体扩散层114要比形成在隔离器容易，有利于实现低成本化和高发电性能。作为具有这种结构的气体扩散层，例如专利文献1(JP特开2006-339089号公报)中有所记载。

在专利文献1中记载了如下技术：利用具备以长方体形状伸长的多个通路型的成型模具，通过抄纸法对以碳纤维为基材的多孔材质部件进行成型，在成型之后拔出该成型模具，从而在气体扩散层的内部形成气体通路。

专利文献1：JP特开2006-339089号公报

然而，在燃料电池中要求进一步提高发电性能，而在上述现有结构中存在发电性能不充分的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够进一步提高燃料电池的发电性能的膜电极接合体及其制造方法、以及具备该膜电极接合体的燃料电池。

为了实现上述目的，本发明以如下方式构成。

根据本发明，提供一种膜电极接合体，其具有：

高分子电解质膜；