[发明专利]固体高分子型燃料电池用膜电极接合体及其制造方法、固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池用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

燃料电池是以氢和氧为燃料，通过发生水电解的逆反应来产生电的发电体系。其与传统的发电方式相比具有诸如高效率、低环境负荷、低噪音的特征，作为未来的绿色能源而受到关注。其中可以在室温附近使用的固体高分子型燃料电池被视为有望用于车载电源或家用固定电源等，近年来进行了与固体高分子型燃料电池有关的各种研发。作为面向实用化的问题，可以列举发电性能或耐久性等电池性能的提高、基础设施设备或制造成本的降低。

固体高分子型燃料电池通常由多个单电池层叠构成。单电池具有这样的结构：具有气体流路的隔板夹着膜电极接合体，该膜电极接合体中通过氧化电极和还原电极两个电极夹着高分子电解质膜并接合。

在固体高分子型燃料电池中，为了确保高分子电解质膜和电极催化剂层中的质子传导性高分子的质子传导性和导电性，需要对膜电极接合体进行加湿，但是为了加湿，需要加湿器，这导致燃料电池系统整体的成本变高。因此，优选在低加湿下运行，更希望无加湿运行。

作为即使在低加湿条件下也能得到高电池特性的方法，例如有如专利文献1中所述的、通过改变电极催化剂层中的质子传导性聚合物的结构来提高导电性的方法。根据专利文献1，通过提高电极催化剂层中的质子传导性聚合物的导电性，可以提高电池电压。

另外，作为即使在低加湿条件下也得到高电池特性的其他方法，例如有如专利文献2中所述的、使高分子电解质相对于导电性载体的比率x(x＝高分子电解质的质量/导电性载体的质量)为0.8≦x≦1.0的方法。根据专利文献2，通过最优化电极催化剂层中的构成成分及其配比，可以提高燃料电池的初始特性和耐久性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2008/050692号小册子

专利文献2：日本特开2003-115299号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在专利文献1的方法中，电极催化剂层中的质子传导性高分子与高分子电解质膜中的质子传导性高分子的结构不同，有可能发生电极催化剂层与高分子电解质膜的界面电阻增大、或者由于温度变化时电极催化剂层与高分子电解质膜的尺寸变化率不同而发生膜电极接合体的变形或损伤。

另外，在专利文献2的方法中，虽然将构成成分及其配比最优化，但是催化剂层的内部结构不能完全控制，并且根据制造方法的不同电池性能可能会降低。

本发明是为了解决上述问题而做出的，目的在于提供一种即使在高温低加湿环境下也具有高发电特性的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体及其制造方法、以及固体高分子型燃料电池。

解决问题的手段

为了解决上述问题，权利要求1的发明为一种在高分子电解质膜的两面上接合有至少包含质子传导性高分子和碳担载催化剂的电极催化剂层的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体，其特征在于，在相对湿度为20％、交流阻抗为10kHz～100Hz的测定条件下，所述电极催化剂层的质子传导性高分子的电阻值Ri在2Ωcm²以上5Ωcm²以下的范围内。

权利要求2的发明的特征在于，所述电极催化剂层的厚度在1μm以上15μm以下的范围内。

权利要求3的发明的特征在于，所述质子传导性高分子相对于所述碳担载催化剂的比率为0.8以上1.1以下。

权利要求4的发明为一种制造根据权利要求1～3中任意一项所述的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的方法，其特征在于，包括：预分散工序，其中将碳担载催化剂与溶剂混合，从而使所述碳担载催化剂分散在溶剂中；以及主分散工序，其中向由所述预分散工序得到的碳担载催化剂分散液中至少添加质子传导性高分子并混合，从而使所述碳担载催化剂和所述质子传导性高分子分散在溶剂中。

权利要求5的发明的特征在于，包括：涂覆工序，其中将由所述主分散工序得到的催化剂浆料涂覆到基材表面；预干燥工序，其中从涂覆在所述基材表面上的催化剂浆料的涂膜中除去部分溶剂成分，从而使所述涂膜成为半干燥催化剂层；以及干燥工序，其中从所述半干燥催化剂层中除去溶剂成分从而使之干燥。

权利要求6的发明的特征在于，具有根据权利要求1～3中任意一项所述的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体。

发明效果

根据权利要求1的发明，可得到即使在高温低加湿环境下也具有高发电特性的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体。