CN105609845B - 膜电极接合体及燃料电池 - Google Patents

膜电极接合体及燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供膜电极接合体及燃料电池，能够防止膜电极接合体整体的厚度增大。本发明的膜电极接合体具备：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。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上述第一层中与上述第二层相接的第二部分的离聚物量。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。

Description

膜电极接合体及燃料电池
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
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
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
发明要解决的课题
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。
用于解决课题的方案
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。
(1)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(1cm3)的离聚物的质量(g)。例如，在第一部分的体积为Va1(cm3)且第一部分包含的离聚物的质量为Ma1(g)的情况下，第一部分的离聚物量为Ma1/Va1(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。
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。
(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。
(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
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。
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。
图2是示意性地表示阴极催化剂层的状态的说明图。
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。
图4是表示膜电极接合体的制造方法的工序图。
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
接下来，对本发明的实施方式进行说明。
A.整体结构：
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1的概略结构的图。图1A是单电池1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1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1而成的。如图1A所示，单电池1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。
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，Nafion(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。
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1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。
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1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1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的燃料气体流动的燃料气体排出歧管。另外，虽然图示省略，但是为了调节电池组结构的内部温度，也可以在全部相邻的单电池1之间，或者每层叠预定数量的单电池1，设置供制冷剂通过的制冷剂流路。制冷剂流路在相邻的单电池1之间，只要设置在一方的单电池1所具备的分隔件20和与其相邻设置的另一方的单电池的分隔件22之间即可。
B.催化剂层的结构：
图2是示意性地表示阴极催化剂层15的状态的图。阴极催化剂层15具备：多个碳粒子150、各碳粒子150保持的作为催化剂的铂152、包覆碳粒子150和铂152的离聚物154。在图2中，用较大的圆表示碳粒子150，用直径比碳粒子150的圆小的圆表示催化剂152。阴极催化剂层15为以下结构：在其厚度方向(图2的上下方向)上，具有位于电解质膜11一侧的第一层和位于阴极气体扩散层18一侧的第二层，各层的界面的离聚物量(g/cm3)互不相同。该离聚物量的分布的详情在后文叙述。
在阳极13(参照图1)侧生成的质子通过电解质膜11而到达阴极催化剂层15。到达了阴极催化剂层15的质子经由阴极催化剂层15中的离聚物154而到达阴极催化剂层15中的催化剂152。如图2所示，从阴极气体扩散层18向阴极催化剂层15供给的氧化气体中的氧通过阴极催化剂层15中的空隙156，由此在阴极催化剂层15中扩散，而到达催化剂152。另外，虽未图示，但是在阳极侧生成的电子通过外部电路而到达阴极催化剂层15，并经由阴极催化剂层15中的碳粒子150而到达催化剂152。到达催化剂152的质子、电子、氧进行反应而生成水。此外，尤其是在高温(例如燃料电池内的温度为90℃以上)下的燃料电池的运转时，电解质膜11和阴极催化剂层15包含的水会蒸发，蒸发后水通过阴极气体扩散层18而与阴极废气一起向燃料电池外排出。
图3是表示阴极催化剂层15的结构和离聚物量分布特性的说明图。图中的a是示意性地表示的阴极催化剂层15的结构。图中的b是表示离聚物量分布特性的曲线图。阳极催化剂层14的结构是与阴极催化剂层15相同的结构，因此省略说明。如图3的a所示，阴极催化剂层15一体地形成，但是在功能上分为与电解质膜11相接的第一层C1和与阴极气体扩散层18相接的第二层C2。第一层C1与第二层C2以离聚物量急剧变化的部分为界面而分开。
在图3的b中，曲线图的横轴表示阴极催化剂层15的厚度方向的位置，纵轴表示离聚物量。如图3的b所示，当将阴极催化剂层15的厚度设为D时，第二层C2的厚度为0.05·D。另外，也可以取代0.05·D而将第二层C2的厚度设为0.02·D或0.03D等0.05·D以下的其他值。另外，也可以取代0.05·D而将第二层C2的厚度设为0.07·D或0.10D等大于0.05·D的其他值。
另外，当将第一层C1中的与电解质膜11相接的部分设为第一部分P1，将第一层C1中的与第二层C2相接的部分设为第二部分P2，将第二层C2中的与气体扩散层18相接的部分设为第三部分P3时，第一部分P1的离聚物量V1多于第二部分P2的离聚物量V2，第三部分P3的离聚物量V3多于第一部分P1的离聚物量V1。即，V3>V1>V2。另外，在第二层C2中，随着从第三部分P3朝向第二部分P2，离聚物量从V3向V2逐渐减少。在第一层C1中，随着从第二部分P2朝向第一部分P1，离聚物量从V2向V1逐渐增加。
“离聚物量”如上所述，是每单位体积的阴极催化剂层的离聚物的质量(g/cm3)。另外，也可以取代上述离聚物量，而通过离聚物比例，即，单位体积的阴极催化剂层中的离聚物的比例来确定离聚物的多(少)。例如通过进行AFM(原子力显微镜)/电流同时测定(通过导电性AFM)来测定-50[nA]以下的电流流动的部分的面积，由此能够算出第一～第三部分P1～P3的离聚物量。另外，各部分P1～P3的测定部位设为多个部位。对于一个部分(P1～P3中的任一个)包含的多个部位测定离聚物量，将各部位的离聚物量的算术平均作为该部分(P1～P3)的离聚物量。
通过取为以上那样的离聚物量分布特性，第一部分P1的空隙率小于第二部分P2的空隙率，第三部分P3的空隙率小于第一部分P1的空隙率。这是因为，与碳粒子的量相比，离聚物量更有助于催化剂层的各部分的空隙率。即，能够基于所算出的空隙率来决定离聚物量的多少。可知空隙率较大的部分，离聚物量较少，空隙率较小的部分，离聚物量较多。
这样，第一层C1中的与电解质膜11相接的第一部分P1比第二部分P2的离聚物量多，另外空隙率小，因此能够减少质子的移动阻力。另外，第二层C2中与气体扩散层18相接的第三部分P3与第二部分P2相比离聚物量多，空隙率小，因此能够抑制蒸发的水经由气体扩散层18向燃料电池外流出，能够防止电解质膜11及催化剂层15的含水量的下降。此外，第一层C1与第二层C2之间的第二部分P2与第一及第三部分P1、P3相比离聚物量少，空隙率大，因此能够提高催化剂层15中的反应气体的扩散性。
另外，膜电极接合体10能够防止电解质膜11及催化剂层15的含水量的下降，因此具备膜电极接合体10的燃料电池能够防止在容易干燥的环境下(例如，燃料电池内成为温度90℃以上的环境下)的性能下降。
另外，位于电解质膜11与阳极气体扩散层16之间的阳极催化剂层14(参照图1B)的结构也具有与位于电解质膜11与阴极气体扩散层18之间的阴极催化剂层15(参照图1B及图3)大致相同的结构。因此，阳极催化剂层14也起到与以上所说明的阴极催化剂层15相同的效果。但是，与阳极催化剂层14对应的阳极气体扩散层16相当于与阴极催化剂层15对应的阴极气体扩散层18。
另外，催化剂层14、15的厚度没有特别限定，分别为2μm以上且25μm以下为优选。另外，为了提高反应气体的扩散性，催化剂层14、15的第一层C1的多个空隙156相互连通为优选。另外，为了使从气体扩散层16、18供给的反应气体扩散至位于电解质膜11一侧的第一层C1，催化剂层14、15中的空隙156从第二层C2相互连通至第一层C1为优选。
C.制造方法：
图4是表示膜电极接合体10的制造方法的工序图。如图所示，在膜电极接合体10的制造时，首先，制作阴极催化剂层15用的催化剂浆料(工序S1)。详细而言，使用保持有铂催化剂的碳材料和离聚物，以使它们(离聚物的重量/碳重量)之比成为1～1.2的方式向水和乙醇分散，由此来制作催化剂浆料。
接下来，将在工序S1中得到的催化剂浆料涂敷在聚四氟乙烯(PTFE)片上，以50℃～150℃干燥2分钟以上，由此来制作阴极催化剂层(工序S2)。相同地，阳极催化剂层14也通过工序S1及工序S2来制作。
接着，将在工序S2中得到的阴极催化剂层和阳极催化剂层通过热压而转印到电解质膜上，由此来制作MEA(Membrane Electrode Assembly：膜电极)(工序S3)。通过该热压进行加热、加压，由此能够使催化剂层中的离聚物偏向电解质膜侧，而能够得到具有图3的b所示的离聚物量分布特性的催化剂层。另外，也可以取代热压而通过热辊压等其他方法进行加热、加压。
接着，通过热压而将MEA与气体扩散层接合，由此来制造作为MEGA(MembraneElectrode and Gas Diffusion Layer Assembly：膜电极和气体扩散层组件)的膜电极接合体10。也可以取代热压而通过热辊压等其他方法进行加热、加压。
D.实施方式的效果：
根据如以上那样构成的本实施方式的膜电极接合体10，在催化剂层15中，第一层C1中的与电解质膜11相接的第一部分P1的离聚物量V1少于第二层C2中的与气体扩散层18相接的第三部分P3的离聚物量V3，因此能够减少催化剂层15整体的厚度。通常，在三维空间内，根据位置，为了使每单位体积的离聚物的量增大或减少预定量，需要一定程度的距离。另外，通常离聚物的量越少则与相邻的层的紧贴力越下降。但是，在与电解质膜11相接的第一部分P1，电解质膜11包含离聚物。即使减少第一部分P1的离聚物量V1，由于电解质膜11包含的离聚物发挥修复功能用，因此与电解质膜11之间的紧贴力不会减少。因此，即使第一部分P1的离聚物量V1少于第三部分P3的离聚物量V3，也能够在保持与电解质膜11之间的紧贴力的状态下，减少催化剂层15整体的厚度。因此，根据该膜电极接合体10，能够起到减小厚度的效果。
另外，根据膜电极接合体10，当将催化剂层15的厚度设为D时，与气体扩散层18相接的第二层C2的厚度为0.05·D以下，因此厚度减薄，相应地能够减少离聚物量，能够提高排水性。由此，第二层C2与气体扩散层18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。如上所述，当由于使第三部分P3的离聚物量多于第二部分P2的离聚物量而减弱排水性时，能够抑制高温运转时的干燥，但是反之在低温运转时，水分会过度地滞留于气体扩散层，反而处于发电性能下降的倾向。因此，如上所述，使第二层C2的厚度为0.05·D以下来提高发电性能是有效的。
图5是表示第二层C2的厚度与气体扩散阻力之间的关系的曲线图。将单电池温度设为55℃，将阳极侧及阴极侧的露点温度设为60℃/60℃，作为阳极气体而以0.5L/min供给氢气，作为阴极气体而以1.0L/min供给1％氧和99％氮的混合气体，通过极限电流密度法来求出气体扩散阻力(单位：sec/m)，由此得到了上述曲线图。根据该曲线图也可知，当第二层C2的厚度低于0.05·D时，气体扩散阻力为较低的值且稳定。
E.变形例：
另外，上述实施方式的构成要素中的、权利要求书的独立权利要求记载的要素以外的要素是附加性的要素，可以适当省略。另外，并不限于本发明的上述实施例和实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实施，例如也能够进行如下的变形。
E-1.第一变形例：
在上述实施方式中，阴极催化剂层15和阳极催化剂层14都具有第一及第二层，但也可以是仅阴极催化剂层和阳极催化剂层中的任一方的催化剂层具有第一及第二层。在该情况下，不具有第一及第二层的催化剂层可以通过公知的方法来制作。例如，将包含铂、碳粒子、离聚物的催化剂形成浆料向电解质膜面上喷雾并使其干燥，由此来制作催化剂层。
E-2.第二变形例：
在上述实施方式中，设为在第二层C2中，随着从第三部分P3朝向第二部分P2而离聚物量从V3向V2逐渐减少，但是也可以取而代之而采用从第三部分P3到第二部分P2整体减少，但是在一部分存在增加的部位的结构。另外，设为在第一层C1中，随着从第二部分P2朝向第一部分P1而离聚物量从V2向V1逐渐增加，但也可以取而代之而采用从第二部分P2到第一部分P1整体增加，但是在一部分存在减少的部位的结构。此外，也可以取代离聚物量逐渐减少或增加的结构而采用使离聚物量逐级减少或增加的结构。总之，只要是第一部分P1的离聚物量V1多于第二部分P2的离聚物量V2且第三部分P3的离聚物量V3多于第一部分P1的离聚物量V1的结构即可。
E-3.第三变形例：
上述实施方式使用了铂作为催化剂，但并不限于此，能够采用促进电化学反应的各种催化剂。例如，可以采用铂、钒、钯等贵金属或者包含这样的贵金属的合金等。
E-4.第四变形例：
在上述实施方式中，使用了碳粒子作为担载催化剂的载体，但并不限于此，也可以采用导电性良好的各种材料。例如，可以采用不锈钢等金属。另外，不必非要使用载体，也可以通过催化剂和离聚物构成催化剂层。
本发明并不限于上述实施方式和变形例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，为了解决上述课题的一部分或全部，或者为了实现上述效果的一部分或全部，可以适当地对发明内容部分记载的各方式中的技术特征所对应的实施方式、变形例中的技术特征进行替换或组合。另外，上述实施方式及各变形例的构成要素中的、除了独立权利要求记载的要素以外的要素是附加性的要素，可以适当省略。
附图标记说明
1…单电池
10…膜电极接合体
11…电解质膜
12…阴极
13…阳极
14…阳极催化剂层
15…阴极催化剂层
16…阳极气体扩散层
18…阴极气体扩散层
20…分隔件
22…分隔件
30～34…贯通孔
150…碳粒子
152…催化剂(铂)
154…离聚物
156…空隙
C1…第一层
C2…第二层
P1…第一部分
V1…离聚物量
P2…第二部分
V2…离聚物量
P3…第三部分
V3…离聚物量

Claims (3)

1.一种膜电极接合体，具备：
电解质膜；
催化剂层，形成于所述电解质膜的面上，并包含催化剂和离聚物；及
气体扩散层，形成于所述催化剂层的与所述电解质膜相反一侧的面上，
所述催化剂层以离聚物量最少的部分为界而具有与所述电解质膜相接的第一层和与所述气体扩散层相接的第二层，
在所述第一层中与所述电解质膜相接的第一部分的离聚物量多于在所述第一层中与所述第二层相接的第二部分的离聚物量，
在所述第二层中与所述气体扩散层相接的第三部分的离聚物量多于在所述第一层中与所述电解质膜相接的所述第一部分的离聚物量。
2.根据权利要求1所述的膜电极接合体，其中，
当将所述催化剂层的厚度设为D时，所述第二层的厚度为0.05·D以下。
3.一种燃料电池，具备权利要求1或2所述的膜电极接合体和夹持所述膜电极接合体的一对分隔件。
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