电解质膜－电极接合体制造技术

本发明专利技术提供一种电解质膜－电极接合体，其具有：高分子电解质膜；具有在所述高分子电解质膜的一侧依次配置的阴极催化剂层以及阴极微细多孔质层及阴极气体扩散层基材的阴极气体扩散层；具有在所述高分子电解质膜的另一侧依次配置的阳极催化剂层以及阳极微细多孔质层及阳极气体扩散层基材的阳极气体扩散层，其中，所述阳极微细多孔质层的相对气体扩散系数比所述阴极微细多孔质层的相对气体扩散系数小0.05[－]以上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电解质膜一电极接合体
本专利技术涉及电解质膜一电极接合体。本专利技术特别涉及固体高分子形燃料电池(PEFC)所使用的电解质膜一电极接合体。
技术介绍
近年来，与以能源、环境问题为背景的社会需求及动向相呼应，燃料电池作为车辆用驱动源及固定型电源而受到关注。燃料电池根据电解质的种类或电极的种类等而分类成各种类型，作为代表性的燃料电池，具有碱型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型、固体高分子型。其中，在低温(通常100°C以下)下可动作的固体高分子型燃料电池(PEFC)最受关注，近年来，作为汽车用低公害动力源的开发和实用化正在进展。 PEFC的构成通常为由隔板夹持膜一电极接合体(MEA)的构造。MEA通常具有阴极气体扩散层(GDL)、阴极催化剂层、固体高分子电解质膜、阳极催化剂层以及阳极气体扩散层层叠的构造。 在MEA中，进行如下所述的电化学反应。首先，供给到阳极(燃料极)侧的燃气中含有的氢通过催化剂而被氧化，成为质子及电子。其次，生成的质子穿过阳极侧催化剂层中含有的高分子电解质，进而穿过与阳极侧催化剂层接触的固体高分子电解质膜，到达阴极(空气极)侧催化剂层。另外，由阳极侧催化剂层生成的电子穿过构成阳极侧催化剂层的导电性载体，进而穿过与阳极侧催化剂层的不同于固体高分子电解质膜的一侧接触的气体扩散层、气体隔板及外部电路，到达阴极侧催化剂层。然后，到达阴极侧催化剂层的质子及电子与供给到阴极侧催化剂层的氧化剂气体中含有的氧发生反应，生成水。在燃料电池中，通过上述的电化学反应能够将电取出到外部。 另外，在PEFC中，在固体高分子电解质膜的质子传导性的维持上需要水，但将因该水的不足而不能继续发电的现象称为干旱。另一方面，如上所述，在阴极中能够生成水，但将因该水滞留于催化剂层、GDL、隔板等而使氧难以向阴极催化剂层扩散且不能继续发电的现象称为水淹。作为增强耐旱性的措施，考虑使用能够使阴极的生成水迅速返回到阳极的电解质膜及减小自MEA内的水的排出。另外，作为增强耐淹性的措施，考虑使用能够使由阴极生成的生成水迅速返回到阳极的电解质膜及增大自MEA内的水的排出。但是，在作为增强耐旱性及耐淹性的措施而记载的后者的措施(水的排出的控制)中，二者成为折衷的关系，难以兼得这两者。 针对该课题，报道了在电极催化剂层和气体扩散层之间设有可提高水的保持性的保水层的文献(专利文献I)。 但是，在专利文献I记载的MEA中，虽然通过保水层的设置，耐旱性提高，但湿润条件下的耐淹性劣化。因此，使用专利文献I记载的MEA的燃料电池的发电性能不够充分。 专利文献1:(日本)特开2004 — 158388号公报
技术实现思路
因此，本专利技术是鉴于上述情况而设立的，其目的在于提供一种能够兼得耐旱性和耐淹性这二者的电解质膜一电极接合体。 本【专利技术者】们为了解决上述问题而进行了深入研究。其结果发现，通过在阳极及阴极气体扩散层分别设置阳极及阴极微细多孔质层，且减小阳极侧的微细多孔质层的相对气体扩散系数，能够解决上述课题，以至于完成了本专利技术。 根据本专利技术，通过将相对气体扩散系数小的阳极微细多孔质层设于阳极侧，能够确保阳极侧的催化剂层和GDL之间的保水性，能够抑制干燥条件的干旱。除上述以外，通过在阴极上设置相对气体扩散系数大的阳极微细多孔质层，能够确保阴极的生成水的排出性，能够抑制湿润条件的阴极水淹。其结果是，本专利技术的电解质膜一电极接合体能够兼得耐旱性和耐淹性这二者。 【附图说明】 图1是表示本专利技术第一实施方式的固体高分子形燃料电池(PEFC)的基本构成的概略图； 图2是表示本专利技术第二实施方式的固体高分子形燃料电池(PEFC)的基本构成的概略图； 图3是表示本专利技术的优选实施方式的阳极微细多孔质层的基本构成的概略剖面图； 图4是用于对构成本专利技术的阳极气体扩散层的阳极微细多孔质层的扁平状导电性材料(鳞片状石墨)的形状进行说明的侧面图(图4A)及平面图(图4B)。 图5是表示实施例1及比较例I?3的MEA的各相对湿度下的发电性能评价的曲线图； 图6是表示实施例2?4及比较例I的MEA的各相对湿度下的发电性能评价的曲线图。 【具体实施方式】 本专利技术的一方式提供一种电解质膜一电极接合体(以下，也简称为“本专利技术的MEA”)，其具有高分子电解质膜；具有依次配置于上述高分子电解质膜的一侧的阴极催化剂层以及阴极微细多孔质层及阴极气体扩散层基材的阴极气体扩散层；具有依次配置于上述高分子电解质膜的另一侧的阳极催化剂层以及阳极微细多孔质层及阳极气体扩散层基材的阳极气体扩散层，其特征为，上述阳极微细多孔质层的相对气体扩散系数比上述阴极微细多孔质层的相对气体扩散系数小0.05[ — ]以上。通过在阳极侧设置相对气体扩散系数小的微细多孔质层，抑制并防止水/水蒸气透过阳极微细多孔质层。因此，即使在干燥(低湿度)条件下，也能够抑制并防止水经由GDL、隔板而排出，能够在固体高分子电解质膜或催化剂层确保对于维持质子传导性而言足够量的水。因此，能够抑制在干燥条件下成为问题的干旱，能够抑制并防止发电性能的下降。另外，通过在阴极侧设置相对气体扩散系数大的微细多孔质层，由阴极生成的水会经由阴极侧的GDL、隔板而排出。因此，即使在湿润条件下，也能够排出来自MEA内的水(不会使阴极水淹变差)，能够提高耐淹性。本专利技术的MEA由于耐旱性及耐淹性双方都优异，故而具有这种MEA的燃料电池不管湿度如何变动，都能够呈现优异的发电性能。 以下，参照附图对应用本专利技术的实施方式进行说明。此外，本专利技术不限于以下的实施方式。另外，附图的尺寸比率为了便于说明进行了夸张，有时与实际的比率不同。 首先，利用附图对应用本方式的阳极气体扩散层而得到的固体高分子形燃料电池的基本构成进行说明。 图1是表示本专利技术第一实施方式的固体高分子形燃料电池(PEFC) I的基本构成的概略图。首先，PEFCl具有固体高分子电解质膜2、夹持该固体高分子电解质膜2的一对催化剂层(阳极催化剂层3a及阴极催化剂层3c)。然后，固体高分子电解质膜2和催化剂层(3a、3c)的层叠体进而由一对气体扩散层(GDL)(阳极气体扩散层4a及阴极气体扩散层4c)夹持。这样，固体高分子电解质膜2、一对催化剂层(3a、3c)及一对气体扩散层(4a、4c)在层叠的状态下构成膜电极接合体(MEA) 10。 在此，阳极气体扩散层4a具有阳极微细多孔质层5a及阳极气体扩散层基材6a。阳极微细多孔质层5a以与阳极催化剂层3a相接的方式配置。另外，阴极微细多孔质层5c也同样具有阴极微细多孔质层5c及阴极气体扩散层基材6c。阴极微细多孔质层5c以与阴极催化剂层3c相接的方式配置。 在PEFCl中，MEAlO进而由一对隔板(阳极隔板8a及阴极隔板8c)夹持。在图1中，图示为隔板(8a、8c)位于图示的MEAlO的两端。但是，在层叠有多个MEA而构成的燃料电池堆中，隔板通常也作为用于将邻接的PEFC(未图示)隔开的隔板来使用。换句话说，在燃料电池堆中，MEA通过经由隔板依次层叠而构成堆。此外，在实际的燃料电池堆中，在隔板(8a、8c)和固体高分子电解质膜2之间或在PEFCl和与该PEFCl邻接的另一 PEFC之间配置有气体密封部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电解质膜－电极接合体，其具有：高分子电解质膜；具有在所述高分子电解质膜的一侧依次配置的阴极催化剂层以及阴极微细多孔质层及阴极气体扩散层基材的阴极气体扩散层；具有在所述高分子电解质膜的另一侧依次配置的阳极催化剂层以及阳极微细多孔质层及阳极气体扩散层基材的阳极气体扩散层，其中，所述阳极微细多孔质层的相对气体扩散系数比所述阴极微细多孔质层的相对气体扩散系数小0.05[－]以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.08 JP 2012-0520261.一种电解质膜一电极接合体，其具有:高分子电解质膜；具有在所述高分子电解质膜的一侧依次配置的阴极催化剂层以及阴极微细多孔质层及阴极气体扩散层基材的阴极气体扩散层；具有在所述高分子电解质膜的另一侧依次配置的阳极催化剂层以及阳极微细多孔质层及阳极气体扩散层基材的阳极气体扩散层，其中， 所述阳极微细多孔质层的相对气体扩散系数比所述阴极微细多孔质层的相对气体扩散系数小0.05[ — ]以上。2.如权利要求1所述的电解质膜一...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑田茂昌，奥山阳三，儿玉一史，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP