CN101569039B - 膜-电极接合体和具有它的燃料电池 - Google Patents

膜-电极接合体和具有它的燃料电池 Download PDF

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Abstract

一种膜-电极接合体(10)，包括：具有质子传导性的电解质膜(11)、以及接合到电解质膜上的第一电极(12)，其特征在于：第一电极包含催化剂(121、122)、以及覆盖催化剂且作为质子交换基起作用的第一离聚物(123)；在第一电极中，膜-电极接合体的额定输出点处的生成水的量(mol/min)/第一离聚物体积(cm3)为1350以上。

Description

膜-电极接合体和具有它的燃料电池
技术领域
本发明涉及膜-电极接合体和具有它的燃料电池。
背景技术
燃料电池一般是以氢和氧作为燃料而获得电能的装置。该燃料电池由于环保性优良且能实现高的能量效率，所以作为今后的能量供给系统正被广泛开发。尤其是固体高分子型燃料电池，由于在各种燃料电池中以比较低的温度工作，所以具有良好的起动性。因此，为了在许多领域实用化而正被活跃地研究。
一般地，在固体高分子型燃料电池中，在电解质膜的两面上设有电极。该电极具有例如催化剂金属、碳和离子交换树脂。已经公开了针对电解质膜，提高离子交换树脂与碳的质量比、以及催化剂金属的承载密度的技术(例如，参照专利文献1)。利用该技术能够提高催化剂金属的利用效率，并且能够抑制电极上的电压下降。
<专利文献1>日本特开2005-135787号公报
发明内容
(发明要解决的问题)
但是，专利文献1的技术中不能充分降低电解质膜中的质子移动阻力。
本发明的目的在于提供电解质膜中的质子移动阻力非常低的膜-电极接合体和具有它的燃料电池。
(用来解决问题的手段)
根据本发明的膜-电极接合体，包括：具有质子传导性的电解质膜、以及接合到电解质膜上的第一电极，其特征在于：第一电极包含催化剂、以及覆盖催化剂且作为质子交换基起作用的第一离聚物；在第一电极中，膜-电极接合体的额定输出点处的生成水的量(mol/min)/第一离聚物体积(cm3)为1350以上。
在根据本发明的膜-电极接合体中，第一离聚物中的水分浓度非常高。由此，促进水向电解质膜移动。其结果，即使在高温运转等的电解质膜易干燥的运转条件下，也能使电解质膜中的质子移动阻力非常低。
第一离聚物的厚度可以为13nm以下。这时，第一离聚物中的水分浓度非常高，且第一电极中的气体扩散性高。由此能够促进发电反应。
也可以是，催化剂由碳以及在碳上承载的催化剂金属构成，且对于在碳上承载的催化剂金属，在电解质膜侧的碳中配置的比在与电解质膜相反侧的碳中配置的多。这时，在电解质膜侧的第一离聚物内的水分浓度高。由此，促进水向电解质膜移动。
也可以是，在第一电极的与电解质膜相反侧的面上还具有第二电极；第二电极具有由作为质子交换基起作用的第二离聚物覆盖碳的结构。也可以是，第二电极中的第二离聚物/碳质量比，比第一电极中的第一离聚物/碳质量比小。这时，第二电极中的气体扩散性高。由此促进发电反应。
也可以是，在第二电极中，催化剂金属承载在碳上。这时，向催化剂金属供给反应气体的供给效率高。由此能够促进发电反应。也可以是，第二电极的催化剂承载密度比第一电极的催化剂承载密度小。这时，能够使第一电极中的水分浓度比第二电极中的水分浓度高。
也可以是，在第一电极中，额定输出点处的生成水的量(mol/min)/第一离聚物体积(cm3)在电解质膜附近为1350以上。这时，在第一电极中的电解质膜附近，能够使第一离聚物中的水分浓度非常高。
根据本发明的燃料电池，包括：如本发明第一至第八方面中任一方面所述的膜-电极接合体、以及夹持膜-电极接合体的隔离物。在根据本发明的燃料电池中，第一离聚物中的水分浓度非常高。由此，促进水向电解质膜移动。其结果，即使在高温运转等的电解质膜易干燥的运转条件下，也能使电解质膜中的质子移动阻力非常低。通过以上方案，根据本发明的燃料电池中的发电性能提高。
(发明的效果)
根据本发明，电解质膜中的质子移动阻力非常低。其结果，发电性能提高。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式1的燃料电池的示意剖面图。
图2是表示阴极催化剂层中的水生成的示意图。
图3是用来说明电解质膜中的质子移动阻力的示意图。
图4是示出阴极催化剂层的结构的例子的图。
图5是用来说明根据本发明的实施方式2的燃料电池的图。
图6是根据本发明的实施方式3的燃料电池的一部分的示意剖面图。
图7是示出根据实施例和比较例的燃料电池的电池电压的图。
图8是示出根据实施例和比较例的燃料电池的电池电压的图。
图9是示出根据实施例和比较例的燃料电池的电池电压的图。
图10是示出根据实施例和比较例的燃料电池的电池电压的图。
具体实施方式
下面，说明用来实施本发明的最佳方式。
(实施方式1)
图1是根据本发明的实施方式1的燃料电池100的示意剖面图。如图1所示，燃料电池100具有在膜-电极接合体10的一面侧设置隔离物20、在另一面侧设置隔离物30的结构。膜-电极接合体10具有在电解质膜11的隔离物20侧依次设置阴极催化剂层12和气体扩散层13、在电解质膜11的隔离物30侧依次设置阳极催化剂层14和气体扩散层15的结构。
电解质膜11由具有质子传导性的固体高分子电解质构成，例如由全氟磺酸型聚合物构成。阴极催化剂层12是促进质子与氧的反应的催化剂层。阳极催化剂层14是促进氢的质子化的催化剂层。后面将描述阴极催化剂层12和阳极催化剂层14的细节。
气体扩散层13是透过含氧的氧化剂气体的层。气体扩散层15是透过含氢的燃料气体的层。气体扩散层13、15由例如碳布(carboncloth)构成。在隔离物20上设置氧化剂气体流路。在隔离物30上设置燃料气体流路。另外，隔离物20、30也可以具有在金属隔离物上配置有由泡沫烧结金属等构成的多孔体流路的结构。
从未图示的燃料气体供给单元向隔离物30的燃料气体流路供给燃料气体。该燃料气体透过气体扩散层15到达阳极催化剂层14。燃料气体中含的氢借助于阳极催化剂层14的催化剂而被分解成质子和电子，质子经电解质膜11传导而到达阴极催化剂层12。
另一方面，从未图示的氧化剂气体供给单元向隔离物20的氧化剂气体流路供给氧化剂气体。该氧化剂气体透过气体扩散层13到达阴极催化剂层12。在阴极催化剂层12中，质子与氧借助于催化剂反应。由此，进行发电，并且生成水分。
图2是表示阴极催化剂层12中的水生成的示意图。如图2所示，阴极催化剂层12具有三维结构，包括：粒子状的多个碳载体121、在各碳载体121上承载的催化剂金属122、以及覆盖碳载体121和催化剂金属122的离聚物123。催化剂金属122由例如铂粒子构成。离聚物123由质子交换基构成。对构成离聚物123的质子交换基没有特别的限制。例如，作为离聚物123可以使用日本旭硝子公司制的Flemion(商品名)。
在电解质膜11中移动而来的质子经由离聚物123到达催化剂金属122。透过气体扩散层13而来的氧透过离聚物123或在离聚物123中溶解而到达催化剂金属122。电子从隔离物20经由气体扩散层13和碳载体121到达催化剂金属122。由此，在催化剂金属122中生成水。生成的水的一部分通过离聚物123返回电解质膜11，剩余的作为水蒸气经由气体扩散层13被排出。
图3是用来说明电解质膜11中的质子移动阻力的示意图。如图3所示，如果质子在电解质膜11内移动，则水随着该质子的移动而移动。由此，在电解质膜11内随着发电反应的进行而形成水分浓度的梯度。在电解质膜11中存在质子的移动阻力。该移动阻力与电解质膜11的水分浓度有关。
因此，利用在厚度方向上把电解质膜11分割成多个的模型对电解质膜11中的质子的移动阻力进行说明。例如，象图3那样在厚度方向上把电解质膜11分割成三个时，各区域中的移动阻力可以从阳极催化剂层14侧依次记为r1、r2和r3。此时，整个电解质膜11的移动阻力R表示为R＝r1+r2+r3。电解质膜11的含水率非常高时，r1、r2和r3大致相等。但是，如果电解质膜11的含水率低则形成水分浓度梯度，r1＞r2＞r3。此时，r1成为整个移动阻力R的支配因素。
在阴极催化剂层12中，生成与因发电反应而消耗的氢对应的水。因此，生成水的量与温度、湿度等条件无关，而由反应氢量或发电电流值决定。在此，水从水分浓度高的一方向低的一方移动。因此，如果电解质膜11的含水率低，则生成水的一部分向电解质膜11移动。
在此，水的移动速度随水分浓度差变化。即，水分浓度差越大水的移动速度越大，水分浓度差越小水的移动速度越小。因此，如果离聚物123中的水分浓度小则向电解质膜11移动的水的移动量小。在本实施方式中，通过增大电解质膜11和离聚物123之间的水分浓度差来增加向电解质膜11移动的水的移动量。
图4是示出阴极催化剂层12的结构的例子的图。首先，如果能够不改变离聚物123的厚度而减小电解质膜11的每单位面积上的阴极催化剂层12的厚度，则阴极催化剂层12的每单位体积上的生成水的量增多。这时离聚物123内的水分浓度增加。于是，如图4(a)所示，也可以通过增加每个碳载体121的催化剂金属承载量(承载密度)而增加离聚物123内的水分浓度。在此，承载密度指催化剂金属质量/(催化剂金属质量+碳质量)×100(wt％)。
另外，如图4(b)所示，也可以象图4(a)那样增加承载密度且减少催化剂金属122的总量。即，也可以减少催化剂金属122的目标量。在此，目标量指电极的每单位面积上的催化剂金属122的量(mg/cm2)。此时，可以不改变催化剂金属122和碳载体121的质量比，而减少催化剂金属122和碳载体121的量。由此，只要使离聚物123的量相对于碳载体121的量维持大致恒定，就无须改变离聚物123的厚度。
而且，如上所述，即使催化剂金属122的总量变化，生成水的量也不变化。因此，每单位量的催化剂金属122的生成水的量观测到增加。其结果，每单位量的离聚物123的生成水的量观测到增加。由此，离聚物123内的水分浓度增加。
另外，也可以降低N/C比。在此，N/C比指离聚物质量/碳质量。此时，如果生成水的量恒定则每单位量的离聚物123的生成水的量增加。于是，如图4(c)所示，也可以减小离聚物123的厚度。由此，离聚物123内的水分浓度增加。另外，阴极催化剂层12中的气体扩散性高。由此，能够促进发电反应。在图4(c)的情况下，优选地，离聚物123的厚度为13nm以下。
在本实施方式中，阴极催化剂层12具有图4(a)～图4(c)的结构，以使得燃料电池100的额定输出点处的生成水的量(mol/min)/离聚物123的体积(cm3)为1350以上。此时，离聚物123内的水分浓度非常高。由此，通过在离聚物123和电解质膜11之间产生大的水分浓度差，促进水向电解质膜11移动。其结果，即使在高温运转等的电解质膜11易干燥的运转条件下，也能使电解质膜11中的质子移动阻力非常低。在此，生成水的量是基于额定输出点处的电流值而决定的值。另外，离聚物123的体积是基于离聚物种的密度、使用碳量和N/C比决定的值。另外，额定输出是用输出表示在预定条件下制造者保证的使用限度(最大能力)。例如，是在商品说明书和商品目录等上记载的值。
另外，优选地，在阴极催化剂层12的电解质膜11附近水分浓度高。即，在阴极催化剂层12中，可以是在电解质膜11附近承载密度增高，也可以是从气体扩散层13侧向电解质膜11侧承载密度逐渐增高，也可以是在电解质膜11附近离聚物123的厚度减小，也可以是从气体扩散层13侧向电解质膜11侧离聚物123的厚度逐渐减小。此时，只要在电解质膜11附近，阴极催化剂层12形成为使燃料电池100的额定输出点处的生成水的量(mol/min)/离聚物123的体积(cm3)为1350以上即可。
另外，如果离聚物123内的水移动阻力小，则向电解质膜11移动的水移动量增多。因此，可以降低离聚物123的EW值(每1mol离子交换基的离子交换树脂干燥重量)，也可以提高电解质膜11和阴极催化剂层12之间的紧密接合性，也可以调整离聚物123的厚度。
另外，阳极催化剂层14也可以具有与根据本实施方式的阴极催化剂层12同样的结构。此时，阳极催化剂层14中的离聚物123和电解质膜11之间的水分浓度差大。由此，能够促进水从阳极催化剂层14向电解质膜11移动。另外，可以是阳极侧和阴极侧的两个催化剂层都具有与阴极催化剂层12同样的结构，也可以是某一个催化剂层具有与阴极催化剂层12同样的结构。
在本实施方式中，阴极催化剂层12和阳极催化剂层14中的至少一方相当于第一电极，离聚物123相当于第一离聚物。
(实施方式2)
图5是用来说明根据本发明的实施方式2的燃料电池100a的图。图5(a)是燃料电池100a的一部分的示意剖面图。图5(b)是示出阴极催化剂层12和后述的阴极催化剂层12a中的水分浓度和水的蒸发量的图。如图5(a)所示，燃料电池100a在阴极催化剂层12的与电解质膜11相反侧的面上还具有阴极催化剂层12a。阴极催化剂层12a设置在阴极催化剂层12和气体扩散层13之间。
阴极催化剂层12a具有碳载体121和覆盖碳载体121的离聚物123。阴极催化剂层12a与阴极催化剂层12的不同点在于不配置催化剂金属122、以及与阴极催化剂层12相比阴极催化剂层12a中的N/C比小。在本实施方式中，使N/C比根据离聚物123的厚度而变化。因此，与阴极催化剂层12中的离聚物123的厚度相比，阴极催化剂层12a中的离聚物123的厚度小。
此时，阴极催化剂层12a的气体扩散性比阴极催化剂层12的气体扩散性高。这是因为，通过降低N/C比增加阴极催化剂层12a的细孔径容积。另外，阴极催化剂层12中生成的水移动到阴极催化剂层12a，但在阴极催化剂层12a中由于离聚物的厚度小所以移动阻力增加。在阴极催化剂层12a中观测到蒸发量增加，但由于利用离聚物中的水的移动阻力控制蒸发速度，所以结果是作为总量的蒸发量减少。因此，抑制了对向阴极催化剂层12供给氧化剂气体的阻碍，且抑制了水蒸气从阴极催化剂层12和阴极催化剂层12a排出。另外，由于水不在阴极催化剂层12a中生成而在阴极催化剂层12中生成，所以阴极催化剂层12中的水分浓度非常高。
由此，能够使阴极催化剂层12的离聚物123中的水分浓度非常高，且促进氧气气体向阴极催化剂层12的扩散以及水蒸气从阴极催化剂层12排出。其结果，能够抑制电解质膜11的质子移动阻力的下降，且能够促进发电反应。
阴极催化剂层12可以通过在电解质膜11上喷涂而形成，也可以通过在电解质膜11上转印而形成。另外，阴极催化剂层12a可以通过在阴极催化剂层12上喷涂而形成，也可以通过在气体扩散层13上喷涂后通过热压与阴极催化剂层12接合。
另外，阳极催化剂层14也可以具有与根据本实施方式的阴极催化剂层12、12a同样的结构。另外，可以是阳极侧和阴极侧的两个催化剂层都具有与阴极催化剂层12、12a同样的结构，也可以是某一个催化剂层具有与阴极催化剂层12、12a同样的结构。阳极催化剂层14中不生成水，水分从电解质膜11经由离聚物蒸发。这是因为，根据实施方式2那样的结构，通过制约向靠近流路侧的水移动量(催化剂层内)，从电解质膜11向阳极催化剂层14移动的水的蒸发量降低。
在本实施方式中，阴极催化剂层12相当于第一电极，阴极催化剂层12中的离聚物123相当于第一离聚物，阴极催化剂层12a相当于第二电极，阴极催化剂层12a中的离聚物123相当于第二离聚物。
(实施方式3)
图6是用来说明根据本发明的实施方式3的燃料电池100b的一部分的示意剖面图。如图6所示，燃料电池100b在阴极催化剂层12的与电解质膜11相反侧的面上还具有阴极催化剂层12b。阴极催化剂层12b设置在阴极催化剂层12和气体扩散层13之间。
与阴极催化剂层12同样地，阴极催化剂层12b包括：碳载体121、催化剂金属122、以及覆盖碳载体121和催化剂金属122的离聚物123。与阴极催化剂层12中的承载密度相比，阴极催化剂层12b中的承载密度小。另外，与阴极催化剂层12中的N/C比相比，阴极催化剂层12b中的N/C比小。在本实施方式中，与实施方式2同样地，使N/C比根据离聚物123的厚度而变化。因此，与阴极催化剂层12中的离聚物123的厚度相比，阴极催化剂层12b中的离聚物123的厚度小。
在本实施方式中，由于在阴极催化剂层12b也配置催化剂金属122，所以向催化剂金属122供给氧化剂气体的供给效率提高，由此能够促进发电反应。另外，由于与阴极催化剂层12中的承载密度相比，阴极催化剂层12b中的承载密度小，所以能够使阴极催化剂层12中的水分浓度非常高。
在本实施方式中，阴极催化剂层12相当于第一电极，阴极催化剂层12中的离聚物123相当于第一离聚物，阴极催化剂层12b相当于第二电极，阴极催化剂层12b中的离聚物123相当于第二离聚物。
实施例
下面，制作根据上述实施方式的燃料电池，分析其特性。
(实施例1～实施例4)
在实施例1～实施例4中制作了根据实施方式1的燃料电池100。表1中示出了根据各实施例的阴极催化剂层12、气体扩散层13和隔离物20所用的材料、以及阴极催化剂层12的形成方法。
表1
  项目   各例中使用的材料
  电解质膜   氟系树脂
  催化剂载体   Ketjen
  催化剂金属   铂
  催化剂承载碳   Cataler工业公司制
  离聚物   Flemion(旭硝子公司制)
  催化剂层形成方法   喷涂法
  气体扩散层   碳布(三菱化学公司制)
  隔离物、流路   金属隔离物、多孔体流路
  电极面积   40cm2(试验片)
另外，表2中示出根据各实施例的阴极催化剂层12中的催化剂金属122的目标量(mg/cm2)、承载密度(wt％)、N/C比和额定输出点处的生成水的量/离聚物的体积。如表2所示，实施例1对应于图4(a)的构成；实施例2对应于图4(c)的构成；实施例3、4对应于图4(b)的构成。
表2
  项目   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   比较例
  Pt目标量(mg/cm2)   0.5   0.5   0.3   0.4   0.5
  Pt承载密度(wt％)   70   70   70   70   60
  N/C比(质量比)   1.0   0.75   1.0   1.0   1.0
  离聚物厚度(nm)   14.2   10.6   14.2   14.2   14.2
  额定输出点处的生成水的量/离聚物体积(mol/min/cm3) 1372 1610 1826 1712 878
(比较例)
在比较例中制作了具有额定输出点处的生成水的量/离聚物123的体积不到1350的阳极催化剂层和阴极催化剂层的燃料电池。所用的材料和制造方法与表1中所示的相同。另外，表2中示出比较例的阴极催化剂层中的催化剂金属的目标量(mg/cm2)、承载密度(wt％)、N/C比和额定输出点处的生成水的量/离聚物的体积。
(分析1)
使用根据实施例1～4和比较例的燃料电池进行了发电。此时的发电条件如表3所示。表3中的冷却水温度是用来冷却燃料电池的冷却水的温度。因此，冷却水的温度与燃料电池内的电池温度大致相等。由于在表3所示的发电条件中不对燃料气体和氧化剂气体进行加湿处理，所以电池电压(cell voltage)有随着电解质膜的干燥而容易降低的倾向。
表3
Figure G2008800013343D00111
表4、图7和图8中示出根据实施例1～4和比较例的燃料电池的电池电压。如表4、图7和图8所示，与根据比较例的燃料电池相比，根据实施例1～4的燃料电池的电池电压大幅增加。因此认为，通过把额定输出点处的生成水的量/离聚物的体积调整到1350以上，能够使电解质膜中的质子的移动阻力非常小。考虑这是因为电解质膜和阴极催化剂层之间的水分浓度差非常大。另外，根据上述结果，即使改变承载密度、催化剂目标量和N/C比中的任一个，只要额定输出点处的生成水的量/离聚物的体积为1350以上就能使电解质膜中的质子的移动阻力非常小。
表4
  实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   比较例
  额定输出点处的生成水的量/离聚物体积(mol/min/cm3) 1372 1610 1826 1712 878
  电池电压(V)   0.568   0.576   0.562   0.551   0.454
(实施例5～实施例8)
在实施例5～实施例8中制作了根据实施方式2的燃料电池100a和根据实施方式3的燃料电池100b。根据各实施例的阴极催化剂层12、阴极催化剂层12a或阴极催化剂层12b、气体扩散层13和隔离物20中用的材料、以及阴极催化剂层12的形成方法，与表1中示出的是同样的。
另外，表5中示出各实施例中的催化剂金属122的目标量(mg/cm2)、承载密度(wt％)、N/C比和阴极催化剂层12中的额定输出点处的生成水的量/离聚物的体积。如表5所示，实施例5对应于根据实施方式2的燃料电池100a，实施例6～实施例8对应于根据实施方式3的燃料电池100b。
表5
Figure G2008800013343D00131
(分析2)
使用根据实施例5～实施例8的燃料电池进行了发电。此时的发电条件与表3中示出的是同样的。表6和图9中示出根据实施例4～8和比较例的燃料电池的电池电压。如表6和图9所示，与根据实施例4的燃料电池相比，根据实施例5的燃料电池的电池电压进一步增加。考虑这是因为通过进一步设置根据实施方式2的阴极催化剂层12a，提高了气体扩散性。
表6
Figure G2008800013343D00132
另外，与根据实施例5的燃料电池相比，根据实施例6的燃料电池的电池电压进一步增加。考虑这是因为通过取代阴极催化剂层12a而设置根据实施方式3的阴极催化剂层12b，提高了向催化剂金属122供给氧化剂气体的供给效率。但是，与根据实施例6的燃料电池相比，根据实施例7和实施例8的燃料电池的电池电压下降。考虑这是因为与阴极催化剂层12的N/C比相比，阴极催化剂层12b的N/C比越小，则设置阴极催化剂层12b的效果越大。
(分析3)
接着，用根据比较例和实施例6的燃料电池，测定了对燃料气体和氧化剂气体进行了加湿时的电池电压。表7中示出其条件和测定结果。表7的“RH”表示相对湿度。如表7所示，在根据比较例的燃料电池中，与对反应气体进行了加湿时相比，在未对反应气体加湿时电池电压大幅下降。另一方面，在根据实施例6的燃料电池中，在对反应气体进行了加湿时和未对反应气体加湿时，都得到了良好的电池电压。考虑在根据除实施例6以外的其它实施例的燃料电池中，也得到同样的结果。因此认为，在根据实施例1～实施例8的燃料电池中，扩大了得到良好的电池电压的发电条件。
表7
Figure G2008800013343D00141
(实施例9～实施例13)
在实施例9～实施例13中，在根据上述各实施方式的燃料电池中的阳极催化剂层中适用了本发明。根据各实施例的阳极催化剂层、阴极催化剂层、气体扩散层和隔离物中用的材料、以及阳极催化剂层和阴极催化剂层的形成方法，与表1中示出的是同样的。表8中示出根据各实施例的阳极催化剂层和阴极催化剂层中的、催化剂金属的目标量(mg/cm2)、承载密度(wt％)、N/C比和额定输出点处的生成水的量/离聚物的体积。
表8
Figure G2008800013343D00151
(分析4)
使用根据实施例9～13和比较例的燃料电池进行了发电。此时的发电条件如表9所示。如表9所示，在对燃料气体和氧化剂气体都未加湿时、只对燃料气体进行了加湿时、以及对燃料气体和氧化剂气体都进行了加湿时这三个条件下进行了发电。
表9
电池电压的测定结果示于图10。图10的纵轴表示电池电阻(cellresistance)。此时的电池电阻是表示每单位面积的电阻的面积电阻。图10的横轴表示内部电阻校正电压。在此，内部电阻校正电压是把输出电压乘以电池电阻上的电流值而校正了电池电压的内部电阻损失量时的电压。认为在内部电阻校正电压低时，发生了气体扩散等的阻碍、电解质膜的干燥导致的发电分布的不均匀等。另外，图10的双点划线表示校正前的电池电压。
如图10所示，在根据比较例的燃料电池中，随着对反应气体的加湿量下降，内部电阻校正电压大幅下降。与此相比，在根据实施例9和实施例10的燃料电池中，对反应气体的加湿量下降时，内部电阻校正电压的下降幅度小。因此，认为在阳极催化剂层中适用本发明也能得到本发明的效果。
另外，如实施例11和实施例12所示，通过在阳极催化剂层和阴极催化剂层中都适用本发明，内部电阻校正电压的下降幅度进一步减小。而且，如实施例13所示，通过使阴极催化剂层成为根据实施方式3的结构，内部电阻校正电压的下降幅度进一步减小。

Claims (9)

1.一种膜-电极接合体，包括：具有质子传导性的电解质膜、以及接合到上述电解质膜上的第一电极，其特征在于：
上述第一电极包含催化剂、以及覆盖上述催化剂且作为质子交换基起作用的第一离聚物，
在上述第一电极中，上述膜-电极接合体的额定输出点处的生成水的量(mol/min)/第一离聚物体积(cm3)为1610以上。
2.如权利要求1所述的膜-电极接合体，其特征在于：第一离聚物的厚度为13nm以下。
3.如权利要求1所述的膜-电极接合体，其特征在于：
上述催化剂由碳以及在上述碳上承载的催化剂金属构成，
对于在上述碳上承载的上述催化剂金属，在上述电解质膜侧的碳中配置的比在与上述电解质膜相反侧的碳中配置的多。
4.如权利要求1所述的膜-电极接合体，其特征在于：
在上述第一电极的与上述电解质膜相反侧的面上还具有第二电极，
上述第二电极具有由作为质子交换基起作用的第二离聚物覆盖碳的结构。
5.如权利要求4所述的膜-电极接合体，其特征在于：与上述第一电极中的第一离聚物/碳质量比相比，上述第二电极中的第二离聚物/碳质量比更小。
6.如权利要求4所述的膜-电极接合体，其特征在于：在上述第二电极中，催化剂金属承载于上述碳上。
7.如权利要求6所述的膜-电极接合体，其特征在于：上述第二电极的催化剂承载密度比上述第一电极的催化剂承载密度小。
8.如权利要求1～7中任一项所述的膜-电极接合体，其特征在于：在上述第一电极中，上述额定输出点处的生成水的量(mol/min)/第一离聚物体积(cm3)在上述电解质膜附近为1610以上。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括：膜-电极接合体、以及夹持上述膜-电极接合体的隔离物，
其中，该膜-电极接合体包括：具有质子传导性的电解质膜、以及接合到上述电解质膜上的第一电极，
上述第一电极含有：催化剂、以及覆盖上述催化剂且作为质子交换基起作用的第一离聚物，
在上述第一电极中，上述膜-电极接合体的额定输出点处的生成水的量(mol/min)/第一离聚物体积(cm3)为1610以上。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011008940A (ja) * 2009-06-23 2011-01-13 Toyota Motor Corp 膜電極接合体および燃料電池
JP5158106B2 (ja) * 2010-02-03 2013-03-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層構造
JP5877494B2 (ja) * 2011-08-25 2016-03-08 日産自動車株式会社 燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池
JP6151174B2 (ja) * 2013-12-25 2017-06-21 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池システムの停止方法および燃料電池システム
JP6135644B2 (ja) * 2014-11-13 2017-05-31 トヨタ自動車株式会社 膜電極接合体および燃料電池
JP2017224514A (ja) * 2016-06-16 2017-12-21 株式会社デンソー 燃料電池用電極、燃料電池および触媒体
JP6654586B2 (ja) * 2017-02-20 2020-02-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池電極用触媒層及びその製造方法

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3555196B2 (ja) 1994-09-19 2004-08-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池とその製造方法
JPH09180730A (ja) 1995-12-27 1997-07-11 Tokyo Gas Co Ltd 固体高分子型燃料電池用電極及びその製造方法
JP4023903B2 (ja) 1998-04-02 2007-12-19 旭化成ケミカルズ株式会社 固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体
US6015634A (en) * 1998-05-19 2000-01-18 International Fuel Cells System and method of water management in the operation of a fuel cell
JP4649705B2 (ja) 2000-05-29 2011-03-16 旭硝子株式会社 固体高分子型燃料電池
JP2003282078A (ja) 2002-03-27 2003-10-03 Sony Corp 触媒粒子及びその製造方法、ガス拡散性電極体、並びに電気化学デバイス
JP2005056583A (ja) 2002-07-09 2005-03-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用電解質膜電極接合体、それを用いた燃料電池およびその製造方法
US20040058227A1 (en) 2002-07-09 2004-03-25 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell, fuel cell using the same and method of making the same
JP4221980B2 (ja) 2002-09-18 2009-02-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用の膜・電極触媒構造体
KR100480782B1 (ko) 2002-10-26 2005-04-07 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 단위체, 그 제조방법 및 상기 연료전지 단위체를채용한 연료전지
JP4130792B2 (ja) 2002-11-25 2008-08-06 本田技研工業株式会社 膜−電極構造体及びそれを用いる固体高分子型燃料電池
JP2004206915A (ja) 2002-12-24 2004-07-22 Nippon Sheet Glass Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池セルおよびそれを用いた燃料電池
JP2004349076A (ja) 2003-05-21 2004-12-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池用電極材料およびその製造方法
JP2005019285A (ja) 2003-06-27 2005-01-20 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池セル
JP4400177B2 (ja) * 2003-10-31 2010-01-20 株式会社ジーエス・ユアサコーポレーション 燃料電池用電極
JP2005235461A (ja) 2004-02-17 2005-09-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質膜・電極接合体
KR100637486B1 (ko) 2004-06-30 2006-10-20 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지
JP2006085959A (ja) * 2004-09-15 2006-03-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の運転方法、燃料電池システム及び燃料電池車両
JP2006252966A (ja) 2005-03-10 2006-09-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用電極触媒層、および、これを用いた燃料電池
KR20070104666A (ko) 2005-03-28 2007-10-26 가부시끼가이샤 도시바 연료 전지
JP5157041B2 (ja) * 2005-03-31 2013-03-06 株式会社エクォス・リサーチ マイクロ／ナノカプセル、燃料電池用の触媒層、燃料電池、及びマイクロ／ナノカプセルの製造方法
JP4951917B2 (ja) * 2005-09-29 2012-06-13 トヨタ自動車株式会社 燃料改質システム
JP5109311B2 (ja) * 2005-12-27 2012-12-26 日産自動車株式会社 膜電極接合体、および、これを用いた燃料電池
JP2007188768A (ja) * 2006-01-13 2007-07-26 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开2005-135787A 2005.05.26
JP特开2006-286329A 2006.10.19
JP特开2006-85959A 2006.03.30

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Publication number Publication date
CN101569039A (zh) 2009-10-28
CA2669274C (en) 2012-03-27
US20100323271A1 (en) 2010-12-23
CA2669274A1 (en) 2008-08-14
EP2110876A4 (en) 2012-06-06
EP2110876A1 (en) 2009-10-21
WO2008096887A1 (ja) 2008-08-14
US8263285B2 (en) 2012-09-11
JP5298436B2 (ja) 2013-09-25
EP2110876B1 (en) 2013-06-26
JP2008192490A (ja) 2008-08-21

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