膜电极接合体及燃料电池的制作方法
【专利说明】膜电极接合体及燃料电池
[0001]本申请主张基于2014年11月13日提出的申请号为2014-230631号的日本专利申请的优先权，并将其公开的全部内容通过参照并入本申请中。
技术领域
[0002]本发明涉及膜电极接合体和具备膜电极接合体的燃料电池。
【背景技术】
[0003]燃料电池具备在电解质膜的面上依次层叠催化剂层和气体扩散层而成的膜电极接合体。以往，如JP2010-251140A记载那样，在将催化剂层分成与电解质膜相接的第一层部分、与气体扩散层相接的第二层部分、位于上述第一与第二层部分之间的第三层部分时，使上述第一和第二层部分的各自的离聚物量比所述第三层部分的离聚物量多的技术为人所知。由此，除了能够实现减少氢离子(H+。也称为“质子”)的移动阻力和提高气体扩散性之外，还能够防止电解质膜及催化剂层的含水量的下降。
【发明内容】
[0004]发明要解决的课题
[0005]但是，根据上述以往的技术，由于催化剂层的厚度增大而存在膜电极接合体整体的厚度增大的课题。此外，希望低成本化、省资源化、制造的容易化等。
[0006]用于解决课题的方案
[0007]本发明为了解决上述课题的至少一部分而作出，能够作为以下的方式实现。
[0008](I)本发明的一方式是膜电极接合体。膜电极接合体可以具备:电解质膜；催化剂层，形成于上述电解质膜的面上，并包含催化剂和离聚物；及气体扩散层，形成于上述催化剂层的与上述电解质膜相反一侧的面上。上述催化剂层可以具有与上述电解质膜相接的第一层和与上述气体扩散层相接的第二层。在上述第一层中与上述电解质膜相接的第一部分的离聚物量多于在上述第一层中与上述第二层相接的第二部分的离聚物量。在上述第二层中与上述气体扩散层相接的第三部分的离聚物量多于上述第一部分的离聚物量。在此，“离聚物量”是指每单位体积(Icm3)的离聚物的质量(g)。例如，在第一部分的体积为Val (cm3)且第一部分包含的离聚物的质量为Mal (g)的情况下，第一部分的离聚物量为Mal/Val (g/cm3)。另外，当计算离聚物量时，将作为计算对象的部分分割成多个块，对每个块计算离聚物量，将每个块的离聚物量的平均作为各个部分的离聚物量。在权利要求书及本说明书中，在言及离聚物量时是指相同的意思。
[0009]根据上述结构的膜电极接合体，在第二层中与气体扩散层相接的第三部分的离聚物量多于在第一层中与电解质膜相接的第一部分的离聚物量。第一部分的离聚物量少于第三部分的离聚物量，因此与第一部分和第三部分的离聚物量相同的结构相比，能够减少催化剂层整体的厚度。通常，离聚物的量越少，与相邻的层的紧贴力越下降。但是，在与第一部分相接的电解质膜中包含离聚物。因此，即使减小第一部分的离聚物量，由于电解质膜包含的离聚物发挥修复功能，因此与电解质膜之间的紧贴力也不会减少。因此，即使第一部分的离聚物量比第三部分的离聚物量减少，也能够在保持了与电解质膜之间的紧贴力的状态下减少催化剂层整体的厚度。因此，该膜电极接合体起到能够减少厚度这样的效果。另外，在第一层中与电解质膜相接的第一部分的离聚物量多于在第一层中与第二层相接的第二部分的离聚物量多，因此能够减少质子的移动阻力。
[0010](2)在上述方式的膜电极接合体的基础上，当将上述催化剂层的厚度设为D时，上述第二层的厚度可以为0.05 -D以下。根据该膜电极接合体，厚度减薄，相应地能够减少离聚物量，能够提高排水性。由此，第二层与气体扩散层之间的含水量减少，气体扩散阻力降低，因此燃料电池的发电性能提高。
[0011](3)本发明的另一方式是燃料电池。燃料电池可以具备上述方案的膜电极接合体和夹持上述膜电极接合体的一对分隔件。根据该结构，由于能够减小膜电极接合体的厚度，因此能够使燃料电池紧凑化。
【附图说明】
[0012]图1A是表示具备作为本发明的一实施方式的膜电极接合体的单电池的概略结构的图。
[0013]图1B是表示具备作为本发明的一实施方式的膜电极接合体的单电池的概略结构的图。
[0014]图2是示意性地表示阴极催化剂层的状态的说明图。
[0015]图3是表示阴极催化剂层的结构和离聚物量的分布的说明图。
[0016]图4是表示膜电极接合体的制造方法的工序图。
[0017]图5是表示第二层的厚度与气体扩散阻力的关系的曲线图。
【具体实施方式】
[0018]接下来，对本发明的实施方式进行说明。
[0019]A.整体结构:
[0020]图1是表示具备作为本发明的一实施方式的膜电极接合体10的单电池I的概略结构的图。图1A是单电池I的分解立体图。图1B是图1A的B-B截面的示意图。通过层叠多个单电池I而构成电池组结构，由此构成固体高分子型燃料电池FC。固体高分子型燃料电池FC是通过利用两块端板夹持层叠体的两侧而制作的，上述层叠体是层叠多个单电池I而成的。如图1A所示，单电池I具备在电解质膜11的两面上分别形成有阴极12和阳极13的膜电极接合体10、夹持膜电极接合体10的分隔件20、22。为了图示方便，阴极12存在于被电解质膜11遮挡的位置。如图1B所示，阴极12具备形成于电解质膜11的一方的面上的阴极催化剂层15和形成于阴极催化剂层15上的阴极气体扩散层18。另外，阳极13具备形成于电解质膜11的另一方的面上的阳极催化剂层14和形成于阳极催化剂层14上的阳极气体扩散层16。另外，本说明书中的“膜电极接合体”是指将电解质膜、催化剂层、气体扩散层按该顺序层叠的结构物。
[0021]电解质膜11由具有质子传导性的固体高分子电解质形成。具体而言，使用由氟化磺酸高分子树脂制作的固体高分子电解质膜(例如，Naf1n(杜邦公司的注册商标))。催化剂层14、15由保持催化剂的载体和覆盖载体的周围的离聚物形成。具体而言，例如由保持铂的碳粒子和离聚物形成。催化剂层14、15的具体的结构和制作方法在后文叙述。气体扩散层16、18由具有气体透过性且导电性良好的材料形成。作为这种材料，可使用例如碳纸或碳布。
[0022]分隔件20、22由氢透过性低且导电性良好的材料形成。作为这种材料，可使用例如在树脂中混入了导电材料而成形的材料。分隔件20、22是配置在单电池I内而形成供反应气体(含有氢气的燃料气体和含有氧的氧化气体)流动的气体流路的部件。在分隔件20,22的两面上为了形成气体流路而形成有槽26、28。具体而言，如图1A、图1B所示，燃料气体在形成于分隔件20的两个面中的与阳极13相接的面上的槽28内流动，氧化气体在形成于分隔件22的两个面中的与阴极12相接的面上形成的槽26内流动。另外，分隔件20、22分别在一方的面上形成槽26，并且在另一方的面上形成槽28。
[0023]分隔件20、22在它们接近外周的相互对应的位置具备贯通孔30、31、32、34。在层叠多个单电池I而组装成燃料电池的情况下，贯通孔30、31、32、34相互重合，形成沿着单电池I的层叠方向贯通燃料电池内部的流路。即，贯通孔30、31、32、34形成向槽26、28供给反应气体的反应气体供给歧管和排出通过了阴极12或阳极13的反应气体的反应气体排出歧管。在本实施方式中，与槽26的一端连通的贯通孔32形成供从燃料电池的外部供给的氧化气体流动的氧化气体供给歧管。与槽26的另一端连通的贯通孔34形成供通过了阴极12的氧化气体流动的氧化气体排出歧管。另外，与槽28的一端连通的贯通孔30形成供从燃料电池的外部供给的燃料气体流动的燃料气体供给歧管。与槽28的另一端连通的贯通孔31形成供通过阳极13的燃料气体