提供一种能实现可以充分防止初期特性降低的、长期地发挥充分的电池特性的、具有优异耐久性的高分子电解质型燃料电池的膜催化剂层复合体。至少在阴极催化剂层中，上述高分子电解质的质量Ｗ↓［ｐ］与催化剂担载碳的质量Ｗ↓［ｃａｔ－Ｃ］的比值（Ｗ↓［ｐ］／Ｗ↓［ｃａｔ－Ｃ］），从配置在与高分子电解质膜最近的位置的最内层开始，向配置在离高分子电解质膜最远的位置配置的最外层减少，最内层中的比值（Ｗ↓［ｐ］／Ｗ↓［ｃａｔ－Ｃ］）是０．８～３．０，并且最外层中的比值（Ｗ↓［ｐ］／Ｗ↓［ｃａｔ－Ｃ］）是０．２～０．６。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】膜催化剂层复合体、膜电极复合体以及高分子电解质型燃料电池
本专利技术涉及膜催化剂层复合体、膜电极复合体以及具备这些复合体的高分子电解质型燃料电池。
技术介绍
燃料电池(FC)由于发电效率高、对环境的负荷小，作为分散型能量系统，有望在今后普及。其中，使用具有阳离子(氢离子)传导性的高分子电解质的高分子电解质型燃料电池，由于其输出密度高、工作温度低、具有小型化的可能性，而有望被利用于车辆等的移动物体、分散发电系统以及家庭用热电联供系统等。现有的高分子电解质型燃料电池，通过使含有氢的燃料气体与空气等含有氧的氧化剂气体进行电化学反应，可同时产生电和热。在此，图4表示现有的高分子电解质型燃料电池搭载的单电池的基本结构的一例的概略截面图。另外，图5是图4表示的单电池100搭载的膜电极复合体(MEA：Membrane-electrode assembly)的基本结构的一例的概略截面图。图6是图5表示的构成膜电极复合体101的膜催化剂层复合体(CCM：Catalyst-coated membrane)的一例的概略截面图。如图6所示，膜催化剂层复合体102中、在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜111的两面上形成有催化剂层112，该催化剂层112含有在碳粉末上担载电极催化剂(例如铂系金属催化剂)而得到的催化剂担载碳、以及、具有氢离子传导性的高分子电解质。作为高分子电解质膜111，一般使用由全氟碳磺酸构成的高分子电解质膜(例如，美国杜邦社制的Nafion(商品名)等)。如图5所示，膜电极复合体101是通过在催化剂层112的外面形成气体扩散层113而构成，该气体扩散层113是使用了例如实施了拨水处理的碳纸而形成的，其同时兼具通气性和电子传导性。上述催化-->剂层112和气体扩散层113的组合构成电极114(阳极或者阴极)。进一步而言，如图4所示，单电池100由膜电极复合体101、垫圈115、一对隔板116构成。为了防止供给的燃料气体以及氧化剂气体向外部泄漏或相互混合，在电极周围配置有夹住高分子电解质膜的垫圈115。垫圈115与电极和高分子电解质膜被预先一体化。另外，高分子电解质膜111、一对电极114(催化剂层112和气体扩散层113)以及垫圈115的组合有时也被称作膜电极复合体。在膜电极复合体101的外侧配置了为了机械地固定膜电极复合体101的一对隔板116。隔板116的与膜电极复合体101接触的部分形成有气体通道117，该气体通道117是为了向电极供给反应气体(燃料气体或氧化剂气体)、并从反应场所向电极外部运走包括电极反应生成物和未反应的反应气体的气体而设置的。气体通道117也可以与隔板116分开设置，但通常采取如图4所示的在隔板的表面设有沟槽作为气体通道的方式。另外，在隔板116的与膜电极复合体101相反的面，通过切削设置沟槽，形成冷却水通道118。这样，用一对隔板116固定膜电极复合体101，向一方隔板的气体通道供给燃料气体、向另外一方隔板的气体通道供给氧化剂气体，以数十到数百mA/cm2的实际电流密度通电时，一个单电池可产生0.7～0.8V的电动势。但是，通常作为电源使用高分子电解质型燃料电池时，由于所需电压是数伏特到数百伏特，实际上根据需要串联多个单电池把它作为燃料电池堆使用。要向气体通道117供给反应气体，需要有一个部件，即将供给反应气体的管路分支为与所使用隔板片数相对应的个数的分支，把这些分支的前端直接接入到隔板上的气体通道的部件，该部件称为复式接头。特别地，从供给反应气体的外部管路直接接入到隔板上的类型的复式接头称为外部复式接头。另外，还有结构较为简单的称为内部复式接头的类型。内部复式接头由在形成气体通道的隔板上设置的贯通孔构成，使气体通道的出入口连通至该孔，反应气体可直接通过该贯通孔供给给气体通道。气体扩散层113主要具有如下三种功能。第一，是为了从气体扩散层113的外侧设置的隔板116的气体通道向催化剂层112中的电极-->催化剂均匀地供给反应气体，使该反应气体扩散的功能。第二，是将催化剂层112中因反应而生成的水迅速地排到气体通道的功能。第三，是将反应中需要的或生成的电子进行传导的功能。即，对于气体扩散层113要求它具有高反应气体透气性、排水分性以及电子电导性。一般，对于扩散层113为了使其具有气体透气性，使用由具有发达组织结构的碳微粉、造孔剂、碳纸或者碳布等制造的具有多孔质结构的导电性基材。另外，为了使其具有排水性，将以氟树脂为代表的拨水性高分子等分散于气体扩散层113中。更进一步，为了使其具有电子电导性，由碳纤维、金属纤维或者碳微粉等有电子电导性材料构成气体扩散层113。也有的在气体扩散层113的与催化剂层112接触的面，设有由拨水性高分子和碳粉末组成的拨水碳层。其次，催化剂层112主要具有如下四种功能。第一，将从气体扩散层113供给的反应气体，供给给催化剂层112的反应部位的功能。第二，将电极催化剂上的反应需要的或生成的氢离子进行传导的功能。第三，将反应中需要的或生成的电子进行传导的功能。第四，通过其高催化性能和宽大的反应面积加快电极反应的功能。即，催化剂层112要求具有高反应气体透气性、氢离子传导性、电子传导性以及催化性。一般，对于催化剂层112为了使其具有透气性，使用具有发达组织结构的碳微粉或者造孔剂，形成具有多孔质结构以及气体流通道的催化剂层。另外，为了使其具有氢离子透过能力，将高分子电解质分散于催化剂层112中的电极催化剂附近，既而形成氢离子网络。更进一步，为了使其具有电子传导性，用碳微粉和碳纤维等电子传导性材料作为电极催化剂的载体形成电子通道。另外，为了提高催化性能，催化剂层112中高度分散有碳微粉上担载着粒径数nm的、非常微细的粒子状的电极催化剂的催化剂。现在，为了高分子电解质型燃料电池的实用化，进行着各种有关提高膜电极复合体101以及膜催化剂层复合体102的性能的研究。例如在专利文献1以及2中，为了抑制高分子电解质膜的分解劣化，提出了以强化高分子电解质膜本身的机械强度以及耐热性为目的的技术。具体来说，上述文献提出了使用芯材用物理方法增强-->高分子电解质膜的方法，以及用化学方法提高高分子电解质膜的耐久性的方法等。另外，对于催化剂层，例如在专利文献3～5中，对于从高分子电解质膜到气体扩散层，具有均匀的单层结构的催化剂层，从各种观点出发提出了具有新结构的催化剂层。具体来说，上述文献提出了以抑制生成水导致的液泛(flooding)为目的，改变催化剂层内的气孔率的方法、以确保高分子电解质膜附近的质子传导性为目的，改变催化剂层内的高分子电解质的比率的方法等。另外，在专利文献6中，以形成具有优异的质子传导性与气体扩散性的平衡的催化剂层为目的，提出了以不同电解质量的复数层来构成催化剂层的技术。进一步而言，在专利文献7中，以与加湿条件无关地良好地供给反应气体，既而提高燃料电池的初期特性为目的，提出了使催化剂层的孔隙率从高分子电解质膜的一侧向扩散层的一侧增大的技术。更具体地说，研究了催化剂层中相对于催化剂的高分子电解质的量。专利文献1：日本特开平10-92444号公报专利文献2：日本特开平2003-59512号公报专利文献3：日本特开平8-88008号公报专利文献4：日本特开平2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种膜催化剂层复合体，其特征在于：该膜催化剂层复合体具备具有氢离子传导性的高分子电解质膜，以及，夹着所述高分子电解质膜的阴极催化剂层和阳极催化剂层；所述阴极催化剂层和所述阳极催化剂层包含：含有碳粉末和在该碳粉末上担载的电极催 化剂的催化剂担载碳、以及、附着于该催化剂担载碳上的、具有氢离子传导性的高分子电解质；至少所述阴极催化剂层由至少２层构成；该阴极催化剂层中，所述高分子电解质的质量Ｗ↓［ｐ］与所述催化剂担载碳的质量Ｗ↓［ｃａｔ－Ｃ］的比值（Ｗ↓ ［ｐ］／Ｗ↓［ｃａｔ－Ｃ］）从配置在与所述高分子电解质膜最近的位置的最内层到配置在离所述高分子电解质膜最远的位置的最外层减少；所述最内层中的所述比值（Ｗ↓［ｐ］／Ｗ↓［ｃａｔ－Ｃ］）是０．８～３．０，且所述最外层中的所述比值（Ｗ↓［ ｐ］／Ｗ↓［ｃａｔ－Ｃ］）是０．２～０．６。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2004-1-26 017713/20041.一种膜催化剂层复合体，其特征在于：该膜催化剂层复合体具备具有氢离子传导性的高分子电解质膜，以及，夹着所述高分子电解质膜的阴极催化剂层和阳极催化剂层；所述阴极催化剂层和所述阳极催化剂层包含：含有碳粉末和在该碳粉末上担载的电极催化剂的催化剂担载碳、以及、附着于该催化剂担载碳上的、具有氢离子传导性的高分子电解质；至少所述阴极催化剂层由至少2层构成；该阴极催化剂层中，所述高分子电解质的质量Wp与所述催化剂担载碳的质量Wcat-C的比值(Wp/Wcat-C)从配置在与所述高分子电解质膜最近的位置的最内层到配置在离所述高分子电解质膜最远的位置的最外层减少；所述最内层中的所述比值(Wp/Wcat-C)是0.8～3.0，且所述最外层中的所述比值(Wp/Wcat-C)是0.2～0.6。2.根据权利要求1所述的膜催化剂层复合体，其特征在于：仅在所述阴极催...
【专利技术属性】
技术研发人员：吉村美贵子，堀喜博，辻庸一郎，吉田昭彦，与那岭毅，内田诚，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，旭硝子株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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