[发明专利]燃料电池的反应层的观察方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池的反应层的观察方法。

背景技术

燃料电池中使用的膜电极接合体是用氢极与空气极夹持固体高分子电解质膜的构成，氢极和空气极分别是从固体高分子电解质膜侧依次层叠反应层和扩散层而成的。

反应层由催化剂与电解质的混合物构成，要求电子和质子的传导性和透气性。在此，由于质子随着水以H₃O^＋的形式移动，所以需要使反应层维持在湿润状态。当然，如果反应层中水分过量存在，则阻碍透气性（所谓的水淹现象），因此必须长时间地适当量地维持反应层的水分。

为了满足所述要求，本申请人在专利文献1和专利文献2中提出了在催化剂与电解质之间具备薄的水膜的催化剂糊剂。该催化剂糊剂通过准备将催化剂与水预先混合而成的预糊剂，将该预糊剂与电解质溶液混合，并采用适当的搅拌方法而得到。这样形成的催化剂糊剂中，电解质的亲水基团被吸引至覆盖催化剂的水膜而对置，在电解质与催化剂之间形成亲水性的区域，该亲水性区域成为水膜。以下，有时将催化剂与电解质的混合物中在催化剂与电解质之间具有亲水性的区域的结构称为“PFF结构”。

通过使电解质与催化剂之间的亲水性的区域连续（即，不使该亲水性的区域形成斑状），从而可防止反应层中的水分布不均。另外，即便使燃料电池在低湿环境下运转，由于水集中存在于该亲水性的区域中，所以能够防止过干燥。另外，如果在高湿环境下运转，则过量的水介由该亲水性的区域向外部（扩散层侧）排出，因此能够防止水淹。

应予说明，作为公开与本发明相关的技术的文献，可参照专利文献3和非专利文献1～3。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2006-140061号公报

专利文献1:日本特开2006-140062号公报

专利文献3:日本特开2009-104905号公报

非专利文献

非专利文献1:Journal of Electrochemical Society2005,vol.152,No.5,PP.A970-A977MAKHARIA Rohit;MATHIAS Mark F.;BAKER Daniel R.“Measurement of catalyst layer electrolyte resistance in PEFCs using electrochemicalimpedance spectroscopy”

非专利文献2:Journal of Electroanalytical Chemistry475,107-123（1999）M.Eikerling and A.A.kornyshev“electrochemical impedance of Cathode Catalyst Layer of Polymer Electrolyte Fuel Cells”

非专利文献3:“电气化学阻抗法”（丸善板垣昌幸）8使用了分布常数型等价电路的电气化学阻抗分析（pp133～146）

发明内容

不仅是PFF结构，为了确保质子的传导性，必须形成水的路径。在构成反应层的物质中本质上为亲水性的是电解质的亲水基团（例如磺酸基），为了在反应层中形成水路径，需要该亲水基团凝聚且该凝聚体连续。

应予说明，已叙述的PFF结构是在催化剂的表面汇集亲水基团的凝聚体，在该催化剂表面形成水路径的结构。

例如，如果亲水基团分散，则吸附于该亲水基团的水相互隔离而无法形成水路径。因此，无法输送从外部供给的质子。另外，从排出过量的生成水的观点出发也不优选。

这样，在了解燃料电池的反应层的特性的基础上，重要的是把握电解质的亲水基团的分布状态。然而，在现有技术中，没有提供任何把握所述分布状态的方法。

本发明人对反应层中的电解质的亲水基团的分布状态进行了反复深入的研究，注意到通过使官能团与电解质的亲水基团亲和，将该官能团用金属离子染色，从而能够用显微镜观察亲水基团的分布状态，进而完成了本发明。

即，本发明的第1方面规定如下。

一种燃料电池反应层的观察方法，包括：

使官能团与构成燃料电池反应层的电解质的亲水基团亲和的步骤，和

向上述反应层导入能够与上述官能团形成配合物的金属离子，利用该金属离子将上述官能团染色的步骤。

根据所述观察方法，电解质的亲水基团虽然是介由官能团的间接成分，但由于被金属离子染色，因此能够利用显微镜目视观察该亲水基团的分布状态。