拒水層和燃料電池的制作方法
【專利說明】拒水層和燃料電池
[0001]相關申請的相互參考
[0002]本申請要求基于2014年10月14日提出的申請號2014-209770的日本專利申請的優先權，將其公開的全部內容通過參考并援引入本申請中。
技術領域
[0003]本發明涉及燃料電池用的拒水層和燃料電池。
【背景技術】
[0004]已知電解質膜、離聚物被燃料電池的運轉中生成的過氧化氫分解，但過氧化氫由于在電極內添加含鈰氧化物而被分解(日本特開2004-327074號公報)。另外已知如下的燃料電池:在膜電極接合體的至少一個表面的外側，設置含有在除含鈰氧化物以外的固體成分的含量設為100重量％時超過5重量％且30重量％以下的含鈰氧化物的含鈰層，由此抑制膜電極接合體的含水量的降低(日本特開2011-113860號公報)。
【發明內容】
[0005]發明所要解決的問題
[0006]但是，本申請的發明人發現，在將含鈰氧化物等過氧化氫分解催化劑用于拒水層的情況下，存在如下所述的問題。含鈰氧化物難溶于水，因此，對于在鈰離子從含鈰氧化物溶出的情況下給燃料電池帶來的影響沒有進行研究。但是，含鈰氧化物在電極內的酸性氣氛中發生離子化而稍微溶出。溶出的鈰離子(Ce，吸附于電解質膜、催化劑層的離聚物中的磺酸基(-SO3)而緩慢地抑制質子的傳導。如果將燃料電池長年使用，則鈰離子向磺酸基的吸附發展，燃料電池的發電性能可能降低。另外，作為過氧化氫分解催化劑，除了含鈰氧化物以外，還利用由過渡金屬元素或稀土金屬元素構成的元素群中包含的金屬元素的單質、和/或含有該金屬元素的化合物。在使用這些過氧化氫分解催化劑的情況下，過氧化氫分解催化劑中的金屬以金屬離子的形式溶出時，金屬離子由于是正離子，因此也會吸附于電解質膜、催化劑層的離聚物中的磺酸基而抑制質子的傳導。如果水不易與過氧化氫分解催化劑接觸，則金屬離子不易溶出。拒水構件抑制水與過氧化氫分解催化劑的接觸，抑制金屬離子從過氧化氫分解催化劑的溶出，但是，過氧化氫分解催化劑與拒水構件相比過量存在時，有時無法抑制水與過氧化氫分解催化劑的接觸。
[0007]用于解決問題的方法
[0008]本發明為了解決上述問題的至少一部分而完成，以下述方式能夠實現。
[0009]第一方式提供燃料電池中使用的拒水層。第一方式的拒水層包含拒水構件和過氧化氫分解催化劑，過氧化氫分解催化劑相對于上述拒水構件的質量比為5質量％以上且20質量％以下。根據第一方式的拒水層，能夠增大拒水構件的比率而抑制水與過氧化氫分解催化劑的接觸，能夠抑制過氧化氫分解催化劑中的金屬發生離子化而溶出。結果，能夠抑制離子化的過氧化氫分解催化劑中的金屬吸附于電解質膜、催化劑層的離聚物中的磺酸基而抑制質子的傳導。
[0010]第一方式的拒水層中，上述拒水構件為聚四氟乙烯，上述過氧化氫分解催化劑可以為含鈰氧化物。根據該方式，含鈰氧化物將過氧化氫分解，能夠抑制電解質膜、離聚物的分解。
[0011]第二方式提供燃料電池。第二方式的燃料電池具備:電解質膜；分別配置在上述電解質膜的兩個表面上的催化劑層；和氣體擴散層，分別配置在上述催化劑層上，且在上述催化劑層側具有上述的拒水層。根據第二方式的燃料電池，能夠增大拒水層的拒水構件的比率而抑制水與過氧化氫分解催化劑的接觸，能夠抑制過氧化氫分解催化劑中的金屬發生離子化而溶出。結果，能夠抑制溶出的金屬離子吸附于電解質膜、催化劑層的離聚物中的磺酸基而抑制質子的傳導，能夠抑制發電效率的降低。
[0012]第二方式的燃料電池中，可以使配置在上述催化劑層中的陽極催化劑層上的第一拒水層的過氧化氫分解催化劑相對于拒水構件的質量比大于配置在陰極催化劑層上的第二拒水層的過氧化氫分解催化劑相對于拒水構件的質量比。從過氧化氫分解催化劑溶出的金屬離子與質子同樣地與伴生水一同從陽極迀移到陰極，將過氧化氫分解。像該方式這樣使配置在陽極催化劑層上的第一拒水層的過氧化氫分解催化劑相對于拒水構件的質量比大于配置在陰極催化劑層上的第二拒水層的過氧化氫分解催化劑相對于拒水構件的質量比時，從過氧化氫分解催化劑溶出的金屬離子從陽極迀移到陰極，因此，即使過氧化氫分解催化劑的總量少，也能夠抑制電解質膜、離聚物的分解。
[0013]需要說明的是，本發明可以通過各種方式來實現。例如，除了拒水層以外，還可以通過拒水層的制造方法、具備拒水層的燃料電池的制造方法等方式來實現。
【附圖說明】
[0014]圖1是表示作為第一實施方式的燃料電池的構成的說明圖。
[0015]圖2是表示各樣品的二氧化鈰的質量比((CeO2的質量)/(PTFE的質量))和煅燒溫度的圖。
[0016]圖3是用于對各樣品的Ce02/PTFE質量比與鈰溶出量進行比較的說明圖。
[0017]圖4是對樣品3(第一實施方式)和樣品10(比較例)中的鈰離子的迀移進行比較的說明圖。
[0018]圖5是表示第二實施方式中的鈰離子的迀移的說明圖。
[0019]標號說明
[0020]100…燃料電池
[0021]110…電解質膜
[0022]120…陽極催化劑層
[0023]125…陰極催化劑層
[0024]130…陽極側氣體擴散層
[0025]132…陽極側微多孔層(陽極側MPL)
[0026]134…陽極側基材層
[0027]135…陰極側氣體擴散層
[0028]137…陰極側微多孔層(陰極側MPL)
[0029]139…陰極側基材層
[0030]140…多孔體流路層
[0031]150…陽極側隔板
[0032]155…陰極側隔板
[0033]160…氣體流路
[0034]170…冷卻水流路
【具體實施方式】
[0035]第一實施方式:
[0036]圖1是表示作為第一實施方式的燃料電池的構成的說明圖。燃料電池100具備電解質膜110、陽極催化劑層120、陰極催化劑層125、陽極側氣體擴散層130、陰極側氣體擴散層135、多孔體流路層140、陽極側隔板150和陰極側隔板155。電解質膜110為具有質子傳導性的電解質膜，例如使用全氟磺酸聚合物這樣的氟系電解質樹脂(離子交換樹脂)。陽極催化劑層120和陰極催化劑層125分別形成在電解質膜110的各表面上，具有負載有催化劑(例如鉑)的碳和具有磺酸基(-SO3H)的離聚物。需要說明的是，在不區分陰極和陽極的情況下，將陽極催化劑層120和陰極催化劑層125也簡稱為催化劑層120、125。
[0037]陽極側氣體擴散層130具備作為拒水層的陽極側微多孔層132 (以下稱為“陽極側MPL132”)和陽極側基材層134。陽極側氣體擴散層130以使陽極側MPL132位于陽極催化劑層120側的方式進行配置。陽極側基材層134由碳紙形成。需要說明的是，可以使用碳無紡布來代替碳紙。陽極側MPL132包含粒狀碳、聚四氟乙烯(PTFE)和二氧化鈰(CeO2)。
[0038]陰極側氣體擴散層135具備作為拒水層的陰極側微多孔層137 (以下稱為“陰極側MPL137”)和陰極側基材層139。陰極側氣體擴散層135以使陰極側MPL137位于陰極催化劑層125側的方式進行配置。陰極側基材層139由碳紙形成。需要說明的是，可以使用碳無紡布來代替碳紙。陰極側MPL137包含粒狀碳、聚四氟乙烯(PTFE)和作為含鈰氧化物的二氧化鈰(CeO2)。
[0039]陽極側MPL132、陰極側MPL137的PTFE作為拒水構件發揮作用，二氧化鈰作為過氧化氫分解催化劑發揮作用。本實施方式中，使用PTFE作為拒水構件，但也可以使用PTFE以外的氟樹脂、氟以外的拒水性構件。本實施方式中，使用二氧化鈰作為過氧化氫分解催化劑，但也可以利用