膜电极接合体、电化学单电池、电池堆、燃料电池及车辆制造技术

本发明专利技术的实施方式涉及膜电极接合体、电化学单电池、电池堆、燃料电池及车辆。本发明专利技术提供提高了发电特性的膜电极接合体及电化学单电池。实施方式的膜电极接合体具有第1电极和电解质膜，所述第1电极具有第1支撑体、和在所述第1支撑体上含有具有含空隙层的层叠结构的多个第1催化剂单元的第1催化剂层，所述电解质膜与所述多个第1催化剂单元之间的所述多个第1催化剂单元所相向的第1面及和所述第1支撑体侧成相反侧的所述第1催化剂单元的第2面这两面相接触，所述膜电极接合体含有下述部分：在从所述第1催化剂单元的第2面开始朝向所述第1支撑体的到至少所述第1催化剂层的厚度的80％为止的区域中存在有所述电解质膜的部分。

【技术实现步骤摘要】
膜电极接合体、电化学单电池、电池堆、燃料电池及车辆相关申请的援引本申请以日本专利申请2017-056695(申请日：2017年3月22日)和日本专利申请2017-175596(申请日：2017年9月13日)为基础，享受这些申请的优先权。本申请通过参照这些申请，包含这些申请的全部内容。
本专利技术的实施方式涉及膜电极接合体、电化学单电池、电池堆、燃料电池及车辆。
技术介绍
近年来，电化学单电池的研究盛行。电化学单电池中，例如燃料电池含有通过使氢等燃料与氧等氧化剂发生电化学反应来使其发电的系统。其中，固体高分子型燃料电池(PolymerElectrolyteMembraneFuelCell：PEFC)由于对环境的负荷少，因此作为家庭用固定电源或汽车用电源被实用化。作为PEFC的各电极中含有的催化剂层，通常使用在炭黑载体上担载有催化剂材料的碳担载催化剂。由于燃料电池的发电，碳载体会发生腐蚀，催化剂层及含催化剂层的膜电极接合体(MembraneElectrodeAssembly：MEA)的劣化大，为了确保燃料电池耐久性要使用大量的催化剂。对PEFC普及化的一大课题是通过贵金属催化剂使用量的减少带来的成本降低。燃料电池中，为了避免因碳载体造成的催化剂劣化、提高催化活性和电化学单电池的特性，提出了无载体的多孔质催化剂层，即便是很少的铂也可确保优异的耐久性和高特性。另一方面，由于电化学单电池中使用的电解质膜非常昂贵，因此膜电极接合体的成本也变得非常高，一般来说成为普及的很大课题。进而，为了提高电化学单电池的性能，一般来说通过电解质膜的薄膜化来降低膜电阻。但是已知，在被电极夹持的电解质膜中，电极外侧的电解质膜部和被电极夹持的电解质膜部分因电极端部处的端湿度变动，对膜的溶胀收缩所引起机械应力增大，易于引起膜的龟裂等。如上所述，作为MEA可以说并不充分，有进一步改善的必要性。
技术实现思路
实施方式提供提高了发电特性的膜电极接合体及电化学单电池。实施方式的膜电极接合体具有第1电极和电解质膜，所述第1电极具有第1支撑体、和在所述第1支撑体上含有具有含空隙层的层叠结构的多个第1催化剂单元的第1催化剂层，所述电解质膜与所述多个第1催化剂单元之间的所述多个第1催化剂单元所相向的第1面及和所述第1支撑体侧成相反侧的所述第1催化剂单元的第2面这两面相接触，所述膜电极接合体含有下述部分：在从所述第1催化剂单元的第2面开始朝向所述第1支撑体的到至少所述第1催化剂层的厚度的80％为止的区域中存在有所述电解质膜的部分。根据上述构成，可提供发电特性有所提高的膜电极接合体。附图说明图1为实施方式的带电解质(层)的气体扩散电极的截面图。图2为实施方式的层叠催化剂截面的低倍率透射型显微镜照片。图3为实施方式的带电解质(层)的气体扩散电极的截面图。图4为表示a实施方式的电极的测定位置的图。图5为实施方式的带电解质(层)的气体扩散电极的界面截面说明图。图6为表示实施方式的制作工序的流程图。图7为实施方式的膜电极接合体的截面图。图8为实施方式的子垫圈一体型膜电极接合体的截面图。图9为实施方式的电化学单电池的截面图。图10为实施方式的电池堆的截面图。图11为实施方式的燃料电池的截面图。图12为实施方式的车辆的示意图。符号说明1第1电极；2第1支撑体；3第1催化剂层；4电解质膜；5第2电极；6第2支撑体；7第2催化剂层；11粘接层；12、13垫圈；14、15带有燃料及氧化剂供给流路的集电板；16、17夹紧板；18、19绝缘膜；20、21夹紧板；22燃料供给单元；23氧化剂供给单元；24车体；25马达；26车轴；27车轮；28负荷控制单元；31第1催化剂单元；40电极长度；41距离；42电极宽；43距离；100、101膜电极接合体；102子垫圈一体型膜电极接合体；200电化学单电池；300电池堆；400燃料电池；500车辆。具体实施方式以下参照附图详细地说明本专利技术的实施方式。其中，以下的说明中相同部件等带有相同的符号，对曾经说明过的部件等适当省略其说明。(实施方式1)实施方式1的膜电极接合体(MEA)具有第1电极和电解质膜，所述第1电极具有第1支撑体、和在第1支撑体上含有具有含空隙层的层叠结构的多个第1催化剂单元的第1催化剂层；所述电解质膜与多个第1催化剂单元之间的多个第1催化剂单元所相向的面及和第1支撑体侧成相反侧的第1催化剂单元的面这两面相接触。所述膜电极接合体含有下述部分：在从于与第1支撑体侧成相反侧之处接触于电解质膜的第1催化剂单元的面开始朝向第1支撑体的到至少第1催化剂层厚度的80％为止的区域中存在有电解质膜的部分。图1表示实施方式1的膜电极接合体(MEA)100的截面图(带电解质(层)的气体扩散电极的截面图)。图1的MEA100具有：含有第1支撑体2和第1催化剂层3的第1电极1；及电解质膜4。当在燃料电池中使用MEA100时，两侧的电极分别为阳极及阴极。向阳极供给氢、向阴极供给空气。第1电极1是在第1支撑体2上设有第1催化剂层3的电极。第1电极1的第1催化剂3与电解质膜4直接接触。实施方式中的接触优选是直接的接触。第1支撑体2是对第1催化剂层3进行支撑的基板。第1支撑体2是通常要求多孔性和导电性的所谓气体扩散支撑体。通常采用钛材料或碳材料的层状物。对于第1支撑体2的形态并无特别限定，可举出网状、由纤维形成的布、钛烧结体等。通过多孔质基材的开口率、特别是接触于第1催化剂层3的部分的空孔结构等的调整或者喷射处理等基材的表面处理，有提高水电解特性的情况。认为这是因为，向第1催化剂层3的水供给、电极反应产物的排出等变得顺畅，从而促进了第1催化剂层3上的电极反应。还可以在基材上附加其他的涂覆层。通过具有导电性的致密的涂覆层，有大大提高电极耐久性的情况。涂覆层并无特别限定，可以使用金属材料、氧化物、氮化物等陶瓷材料、碳等。第1支撑体2为了防止引起水堵塞、所谓的溢流现象，多含有疏水剂。第1支撑体2的疏水剂例如为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVdF)、聚六氟丙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)等氟系高分子材料。作为优选的第1支撑体2，为多孔质的碳层与碳基材的层叠体，第1催化剂层3设置在多孔质的碳层一侧。第1催化剂层3含有设置在第1支撑体2上的多个催化剂单元。第1催化剂层3是无载体且多孔质的催化剂层。电化学单电池中使用的催化剂层为了获得高的单电池特性，通常由以碳等材料作为载体、在其表面担载有催化剂的担载催化剂来构成。载体材料几乎不参与主要的电极催化反应，但据报道，除了能够提高催化剂材料的反应面积等能够控制催化剂材料之外，还可以通过电化学单电池改善空孔结构、电传导性、离子传导性等。无载体是指构成第1催化剂层的催化剂中不使用载体。即，第1催化剂层3由催化剂材料构成。具体地说，第1催化剂层3含有具有多孔体结构的催化剂单元或具有含空隙层的层叠结构的催化剂单元。使用贵金属催化剂时，即便是很少的使用量也能够保持电化学单电池的高特性和高耐久性。图2A和图2B分别表示具有多孔体结构的催化剂单元和具有含空隙层的层叠结构的催化剂单元的低倍率透射型显微镜照片。图2A表示多孔体结构的催化剂单元、图2B表示具有含空隙层的层叠结构的催化剂单元。在载体上担载有催化剂材料时，催化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膜电极接合体，其具有第1电极和电解质膜，所述第1电极具有第1支撑体、和在所述第1支撑体上含有具有含空隙层的层叠结构的多个第1催化剂单元的第1催化剂层，所述电解质膜与所述多个第1催化剂单元之间的所述多个第1催化剂单元所相向的第1面及和所述第1支撑体侧成相反侧的所述第1催化剂单元的第2面这两面相接触，所述膜电极接合体含有下述部分：在从所述第1催化剂单元的第2面开始朝向所述第1支撑体的到至少所述第1催化剂层的厚度的80％为止的区域中存在有所述电解质膜的部分。

【技术特征摘要】
2017.03.22 JP 2017-056695;2017.09.13 JP 2017-175591.一种膜电极接合体，其具有第1电极和电解质膜，所述第1电极具有第1支撑体、和在所述第1支撑体上含有具有含空隙层的层叠结构的多个第1催化剂单元的第1催化剂层，所述电解质膜与所述多个第1催化剂单元之间的所述多个第1催化剂单元所相向的第1面及和所述第1支撑体侧成相反侧的所述第1催化剂单元的第2面这两面相接触，所述膜电极接合体含有下述部分：在从所述第1催化剂单元的第2面开始朝向所述第1支撑体的到至少所述第1催化剂层的厚度的80％为止的区域中存在有所述电解质膜的部分。2.根据权利要求1所述的膜电极接合体，其中，所述第1支撑体为气体扩散支撑体。3.根据权利要求1或2所述的膜电极接合体，其中，所述电解质膜含有具有磺酸基的氟树脂、钨酸和磷钨酸中的任1种以上。4.根据权利要求1～3中任一项所述的膜电极接合体，其中，所述电解质膜存在于所述多个第1催化剂单元之间的平均深度为从所述第1催化剂单元的第2面开始朝向所述第1支撑体的所述第1催化剂层的厚度的75％以上。5.根据权利要求1～4中任一项所述的膜电极接合体，其中，所述多个第1催化剂单元之间的60％以上中，对于所述多个第1催化剂单元间的电解质膜，在从所述第1催化剂单元的第2面开始朝向所述第1支撑体的到至少第1催化剂层的厚度的80％为止的区域中存在有所述电解质膜。6.根据权利要求1～5中任一项所述的膜电极接合体，其进一步含有具有第2支撑体、和在所述第2支撑体上含有具有含空隙层的层叠结构的多个第2催化剂单元的第2催化剂层的第2电极，所述电解质膜与所述多个第2催化剂单元之间的所述多个第2催化剂单元所相向的第1面及和所述第2支撑体侧成相反侧的所述第2催化剂单元的第2面这两面相接触，含有下述部...

【专利技术属性】
技术研发人员：中野义彦，梅武，深泽大志，金井佑太，平贺广贵，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：日本,JP