[发明专利]阴离子交换膜型燃料电池用的催化剂层及膜-电极接合体以及使用它们的阴离子交换膜型燃料电池及其运转方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池中的、特别是用于阴离子交换膜型燃料电池的催化剂层，使用该催化剂层而形成的膜-电极接合体(以下，膜-电极接合体也称为“MEA”)，具备该MEA的阴离子交换膜型燃料电池及其运转方法。

背景技术

固体高分子型燃料电池是以离子交换树脂等固体高分子作为电解质而使用的燃料电池，具备工作温度较低的特征。固体高分子型燃料电池的电解质中可以使用阳离子交换膜或阴离子交换膜。不论使用了哪种电解质的情况下，固体高分子型燃料电池均具有以下的基本结构。

图1是表示固体高分子型燃料电池的基本结构的概念图。图1中，1a、1b分别是电池隔板，在电池隔板1a上形成有与外部连通的燃料流通孔2，在电池隔板1b上形成有与外部连通的氧化剂气体流通孔3。电池隔板1a、1b内的空间被固体高分子电解质膜6分成两部分。在固体高分子电解质膜6的一个表面上接合有燃料室侧气体扩散电极(阳极)4，在另一表面(背面)上接合有氧化剂室侧气体扩散电极(阴极)5。被电池隔板1a和固体高分子电解质膜6包围而形成的燃料室(阳极室)7通过燃料流通孔2而与外部连通，被电池隔板1b和固体高分子电解质膜6包围而形成的氧化剂室(阴极室)8通过氧化剂气体流通孔3而与外部连通。

这样的基本结构的固体高分子型燃料电池中，通过燃料流通孔2对燃料室7供给包含氢气、甲醇等的燃料，并且通过氧化剂气体流通孔3对氧化剂室8供给包含氧、空气等含氧气体的氧化剂气体，进而，通过将外部负载电路连接于两气体扩散电极间，通过如下机理产生电能。即，在使用阳离子交换膜作为固体高分子电解质膜的情况下，阳极4中，通过该电极内所含有的催化剂和燃料进行接触而生成的质子(氢离子)在固体高分子电解质膜6内传导而向氧化剂室8移动，且在阴极5与氧化剂气体中的氧反应而生成水。而且，在阳极4中与质子同时生成的电子通过外部负载电路向阴极5进行移动，因此，可以将上述反应的能量作为电能进行利用。

在上述那样结构的固体高分子型燃料电池中，作为固体高分子电解质膜，最一般是使用全氟碳磺酸树脂膜。另外，作为使用这样的全氟碳磺酸树脂膜的气体扩散电极，一般使用：利用包含多孔性材料的电极基材支撑担载于碳黑等导电剂的包含铂等金属粒子的催化剂的气体扩散电极、在全氟碳磺酸树脂膜上层状地形成该催化剂的气体扩散电极。通常，该气体扩散电极通过与全氟碳磺酸树脂膜进行热压接而与全氟碳磺酸树脂膜接合。而且，在通过这样的方法进行接合的情况下，为了提高在气体扩散电极内部的催化剂上产生的质子的利用率(换而言之，为了使该质子有效地移动至电极)，进行在气体扩散电极的接合面上涂布作为离子传导性赋予剂的全氟碳磺酸树脂的溶液，或在气体扩散电极的内部配合全氟碳磺酸树脂(专利文献1、2)。予以说明，上述全氟碳磺酸树脂还具有提高固体高分子电解质膜和气体扩散电极的接合性的功能。

但是，在这样的使用全氟碳磺酸树脂膜的固体高分子型燃料电池中，主要由于全氟碳磺酸树脂膜而产生以下问题。

(i)由于反应场成为酸性气氛，因此，需要使用铂等高价的贵金属催化剂。

(ii)由于在烧却处理中产生氢氟酸，因此，环境适合性差。

(iii)由于燃料气体、氧化剂气体的透过性较高，因此，产生电压损失。

(iv)由于原料的价格高，因此，难以降低成本。

为了解决这些问题、特别是上述(i)的问题，提出了一些使用烃系阴离子交换膜来代替全氟碳磺酸树脂膜的固体高分子型燃料电池(专利文献3-5)。

使用这些烃系阴离子交换膜的固体高分子型燃料电池与使用全氟碳磺酸树脂膜的情况一样，可使用氢等燃料气体、氧等氧化剂气体而进行发电，但各电极中的反应机理及在固体高分子电解质6内传导的离子种类不同。

例如，若通过燃料流通孔2对阳极室7供给含有氢的燃料，并且通过氧化剂气体流通孔3对阴极室8供给氧、空气等含有氧的氧化剂气体，进而将外部负载电路连接于阳极4和阴极5之间，则在阴极5中，由于该电极内所含有的催化剂和氧化剂气体中的氧及水接触而生成氢氧化物离子。即，在阴极的电极反应中需要水。接着，在此生成的氢氧化物离子在固体高分子电解质膜6内传导而向阳极侧移动，且在阳极4与燃料反应而生成水。在阳极4与水同时生成的电子通过外部负载电路向阴极5移动，因此，可以将上述反应的能量作为电能进行利用。

使用烃系阴离子交换膜的固体高分子型燃料电池由于反应场成为碱性气氛，因此，与使用全氟碳磺酸树脂膜那样的阳离子交换膜的固体高分子型燃料电池相比，具有下面那样的优点。