膜电极复合体和使用该膜电极复合体的燃料电池制造技术

本发明专利技术提供膜电极复合体和使用该膜电极复合体的燃料电池，所述膜电极复合体在依次包含阳极催化层、电解质膜和阴极催化层的层叠体上具备物质透过性随温度升高而减小的温度响应性层。温度响应性层可以由含有含水率以相变温度为界限发生变化的温度响应性材料的多孔质层构成。能够抑制向阳极催化层供给的燃料供给量随温度升高而增大，并且能够抑制水分随温度升高而从电解质膜中蒸发，从而能够防止燃料电池的过度的温度升高和热失控。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及膜电极复合体，更详细而言，本专利技术涉及具备物质透过性随温度升高而减小的温度响应性层的膜电极复合体。此外，本专利技术还涉及使用该膜电极复合体的燃料电池。
技术介绍
对于燃料电池而言，从用户进行一次燃料补充而能够比以往更长时间使用电子设备的长时间驱动的观点、用户在外出地点即使将电池耗尽也能在无需等待电池充电的情况下通过购买燃料进行补充而能够立即使用电子设备的便利性的观点出发，将其作为支持信息化社会的便携式电子设备的新型电源而实用化的期待日益增高。燃料电池存在温度随着发电而升高的倾向。燃料电池的温度过度升高时，伴随着·电解质膜的水分蒸发，电解质膜中的水分变得不足，结果，燃料电池的电阻增加，从而无法提取足够的电流。作为用于防止电解质膜的水分不足的方法，例如在日本特开2008-288045号公报(专利文献I)中记载了如下方法使用由高分子膜构成的离子传导膜作为燃料电池的电解质膜，所述高分子膜含有由具有离子传导性的成分构成的链段(A)以及由溶解度、形状或体积因外部刺激而发生可逆变化的成分构成的链段(B)。并记载了链段(B)为例如亲水性/疏水性随温度变化而发生可逆变化的成分，在膜温度随着由电池反应产生的内部发热而达到相变温度以上的情况下，将链段(B)含有的水排出，结果使显示出离子传导性的链段(A)保湿。在不使用利用泵或风扇等外部动力的辅助设备的情况下将燃料和空气分别供给到阳极、阴极的所谓无源型燃料电池具有实现非常小的小型燃料电池的可能性，因此，近年来将其作为搭载在便携电子设备中的用途的期待日益增高。特别是对于上述无源型燃料电池而言，在供给到阳极的燃料量相对于由发电消耗的燃料量较多的情况下，发生燃料渗透(々口 7才一 K一)，即燃料会从电解质膜中透过而在阴极侧引起燃烧，从而使电池温度过度升高。电池温度的过度升高会引起向阳极供给的燃料供给量和电解质膜的燃料透过量增大，由此，使电池温度的升高加速，因此，存在引起热失控的风险。该热失控的问题在使燃料气化而将气体状态的燃料供给到阳极的无源型燃料电池中尤为显著。除了引起上述热失控以外，还会成为发生电解质膜中的水分蒸发的主要原因，从而使燃料电池的电阻增加，结果，无法提取足够的电流。另外，由于热失控，由发电消耗的燃料量与渗透的燃料量相比减少，因此，燃料利用效率下降而导致电池体积的增大。作为用于防止燃料的渗透随电池温度升高而增加的方法，例如日本特开2006-085955号公报(专利文献2)中记载了如下方法在催化电极与固体高分子电解质膜之间配置包含具有质子传导性并且伴随温度升高所致的收缩而发生可逆的体积变化的材料的中间层，以及利用该中间层在观察到透过固体高分子电解质膜的液体燃料的量增加的倾向的高温范围内阻断水分和燃料的移动，从而能够抑制液体燃料的浪费。现有技术文献专利文献专利文献I :日本特开2008-288045号公报专利文献2 :日本特开2006-085955号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的问题如上述专利文献I和2所示，作为用于防止电解质膜的水分不足或燃料的渗透的方法，在由阳极催化层、电解质膜和阴极催化层构成的层叠体(狭义的膜电极复合体)内使 用外部刺激响应性材料的情况下，存在如下问题因外部刺激而引起外部刺激响应性材料的膨润/收缩，由此产生应力，从而破坏该层叠体。此外，在该层叠体内使用外部刺激响应性的材料的情况下，存在如下问题妨碍在层叠体的内部发生的化学反应、物质移动、电子和离子的移动，从而使发电特性降低。本专利技术鉴于上述现有问题而完成，其目的在于提供发电特性优良的膜电极复合体和使用该膜电极复合体的燃料电池，所述膜电极复合体能够抑制向阳极催化层供给的燃料供给量随温度升高而增大或者抑制水分随温度升高而从电解质膜中蒸发或者同时达到上述两个目的，由此不会引起过度的温度升高或热失控。用于解决问题的方法本专利技术提供一种膜电极复合体，在依次包含阳极催化层、电解质膜和阴极催化层的层叠体上具备物质透过性随温度升高而减小的温度响应性层。本专利技术的膜电极复合体优选在阳极催化层或阴极催化层中的至少任意一个催化层上具备温度响应性层。温度响应性层优选由含有含水率以相变温度为界限发生变化的温度响应性材料的多孔质层构成。例如，温度响应性材料保持在多孔质层的细孔内。温度响应性材料可以化学键合在多孔质层的细孔壁上。本专利技术的膜电极复合体的一个优选实施方式中，温度响应性材料在温度响应性层的面方向上具有浓度分布。另外，在另一优选实施方式中，温度响应性材料在温度响应性层的膜厚方向上具有浓度分布。作为温度响应性材料，可以优选使用表现出最高临界共溶温度(UCST)型的相变特性的材料或表现出最低临界共溶温度(LCST)型的相变特性的材料。温度响应性材料的相变温度优选比供给到阳极催化层的燃料的沸点低5°C以上。另外，多孔质层优选由非温度响应性材料(不显示温度响应性的材料)构成。本专利技术的膜电极复合体可以具备层叠在阳极催化层上的阳极气体扩散层和层叠在阴极催化层上的阴极气体扩散层。这种情况下，本专利技术的膜电极复合体可以具备温度响应性层作为阳极气体扩散层和/或阴极气体扩散层。另外，本专利技术提供一种燃料电池，其具备上述本专利技术的膜电极复合体、层叠在膜电极复合体的阳极催化层侧的阳极集流体、层叠在膜电极复合体的阴极催化层侧的阴极集流体、和设置在膜电极复合体的阳极催化层侧的燃料供给部。本专利技术的燃料电池优选为直接醇型燃料电池，更优选为直接甲醇型燃料电池。专利技术效果根据本专利技术，能够提供发电特性优良的膜电极复合体和燃料电池，所述膜电极复合体能够抑制向阳极催化层供给的燃料供给量随温度升高而增大或抑制水分随温度升高而从电解质膜中蒸发或者同时达到上述两个目的，由此不会引起过度的温度升高或热失控。包含本专利技术的膜电极复合体的燃料电池适合作为以在各种电子设备、特别是在便携式电子设备中的应用为目的的小型燃料电池，特别是适合作为便携式电子设备搭载型的小型燃料电池。附图说明图I是示意性地表示本专利技术的膜电极复合体的一例的截面图。图2是对使用表现出LCST型的相变特性的高分子的物质透过性控制进行说明的示意图。图3是对使用表现出UCST型的相变特性的高分子的物质透过性控制进行说明的 示意图。图4是示意性地表示本专利技术的膜电极复合体的另一例的截面图。图5是示意性地表示本专利技术的燃料电池的一例的截面图。图6是示意性地表示实施例3中制作的燃料电池的截面图。图7是示意性地表示实施例4中制作的燃料电池的截面图。图8是示意性地表示实施例5中制作的燃料电池的截面图。图9是示意性地表示实施例6和7中制作的燃料电池的截面图。图10是示意性地表示实施例8中制作的燃料电池的截面图。图11是示意性地表示实施例9中制作的燃料电池的截面图。图12是示意性地表示实施例10中制作的燃料电池的截面图。图13是示意性地表示比较例I中制作的燃料电池的截面图。图14是表示实施例1、2、4、比较例2和3中制作的温度响应性层的膜厚方向上的位置与保持在多孔质层中的温度响应性层的填充率的关系的图。图15是表示实施例I飞和比较例2 3中制作的温度响应性层的甲醇透过率的温度依赖性的图。具体实施例方式以下，示出实施方式对本专利技术的膜电极复合体和燃料电池进行详细说明。〈膜电极复合体〉图I是示意性地表示本专利技术的膜电极复合体的一例的截面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.04.12 JP 2010-0912441.一种膜电极复合体，在依次包含阳极催化层、电解质膜和阴极催化层的层叠体上具备物质透过性随温度升高而减小的温度响应性层。2.如权利要求I所述的膜电极复合体，其中，在所述阳极催化层或所述阴极催化层中的至少任意一个催化层上具备所述温度响应性层。3.如权利要求I所述的膜电极复合体，其中，所述温度响应性层由含有含水率以相变温度为界限发生变化的温度响应性材料的多孔质层构成。4.如权利要求3所述的膜电极复合体，其中，所述温度响应性层由所述多孔质层和保持在所述多孔质层的细孔内的所述温度响应性材料构成。5.如权利要求4所述的膜电极复合体，其中，所述温度响应性材料化学键合在所述多孔质层的细孔壁上。6.如权利要求3所述的膜电极复合体，其中，所述温度响应性材料在所述温度响应性层的面方向上具有浓度分布。7.如权利要求3所述的膜电极复合体，其中，所述温度响应性材料在所述温度响应性层的膜厚方向上具有浓度分布。8.如权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：水畑宏隆，吉江智寿，竹中忍，大西武范，村冈将史，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：
国别省市：