流動的燃料氣體排出歧管。另外,雖然圖示省略,但是為了調(diào)節(jié)電池組結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度,也可以在全部相鄰的單電池I之間,或者每層疊預(yù)定數(shù)量的單電池1,設(shè)置供制冷劑通過的制冷劑流路。制冷劑流路在相鄰的單電池I之間,只要設(shè)置在一方的單電池I所具備的分隔件20和與其相鄰設(shè)置的另一方的單電池的分隔件22之間即可。
[0024]B.催化劑層的結(jié)構(gòu):
[0025]圖2是示意性地表示陰極催化劑層15的狀態(tài)的圖。陰極催化劑層15具備:多個碳粒子150、各碳粒子150保持的作為催化劑的鉑152、包覆碳粒子150和鉑152的離聚物154。在圖2中,用較大的圓表示碳粒子150,用直徑比碳粒子150的圓小的圓表示催化劑152。陰極催化劑層15為以下結(jié)構(gòu):在其厚度方向(圖2的上下方向)上,具有位于電解質(zhì)膜11 一側(cè)的第一層和位于陰極氣體擴(kuò)散層18 —側(cè)的第二層,各層的界面的離聚物量(g/cm3)互不相同。該離聚物量的分布的詳情在后文敘述。
[0026]在陽極13 (參照圖1)側(cè)生成的質(zhì)子通過電解質(zhì)膜11而到達(dá)陰極催化劑層15。至Ij達(dá)了陰極催化劑層15的質(zhì)子經(jīng)由陰極催化劑層15中的離聚物154而到達(dá)陰極催化劑層15中的催化劑152。如圖2所示,從陰極氣體擴(kuò)散層18向陰極催化劑層15供給的氧化氣體中的氧通過陰極催化劑層15中的空隙156,由此在陰極催化劑層15中擴(kuò)散,而到達(dá)催化劑152。另外,雖未圖示,但是在陽極側(cè)生成的電子通過外部電路而到達(dá)陰極催化劑層15,并經(jīng)由陰極催化劑層15中的碳粒子150而到達(dá)催化劑152。到達(dá)催化劑152的質(zhì)子、電子、氧進(jìn)行反應(yīng)而生成水。此外,尤其是在高溫(例如燃料電池內(nèi)的溫度為90°C以上)下的燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)時,電解質(zhì)膜11和陰極催化劑層15包含的水會蒸發(fā),蒸發(fā)后水通過陰極氣體擴(kuò)散層18而與陰極廢氣一起向燃料電池外排出。
[0027]圖3是表示陰極催化劑層15的結(jié)構(gòu)和離聚物量分布特性的說明圖。圖中的a是示意性地表示的陰極催化劑層15的結(jié)構(gòu)。圖中的b是表示離聚物量分布特性的曲線圖。陽極催化劑層14的結(jié)構(gòu)是與陰極催化劑層15相同的結(jié)構(gòu),因此省略說明。如圖3的a所示,陰極催化劑層15 —體地形成,但是在功能上分為與電解質(zhì)膜11相接的第一層Cl和與陰極氣體擴(kuò)散層18相接的第二層C2。第一層Cl與第二層C2以離聚物量急劇變化的部分為界面而分開。
[0028]在圖3的b中,曲線圖的橫軸表示陰極催化劑層15的厚度方向的位置,縱軸表示離聚物量。如圖3的b所示,當(dāng)將陰極催化劑層15的厚度設(shè)為D時,第二層C2的厚度為
0.05 *D。另外,也可以取代0.05 *D而將第二層C2的厚度設(shè)為0.02 *D或0.03D等0.05 *D以下的其他值。另外,也可以取代0.05.D而將第二層C2的厚度設(shè)為0.07 *D或0.1OD等大于0.05.D的其他值。
[0029]另外,當(dāng)將第一層Cl中的與電解質(zhì)膜11相接的部分設(shè)為第一部分P1,將第一層Cl中的與第二層C2相接的部分設(shè)為第二部分P2,將第二層C2中的與氣體擴(kuò)散層18相接的部分設(shè)為第三部分P3時,第一部分Pl的離聚物量Vl多于第二部分P2的離聚物量V2,第三部分P3的離聚物量V3多于第一部分Pl的離聚物量VI。即,V3>V1>V2。另外,在第二層C2中,隨著從第三部分P3朝向第二部分P2,離聚物量從V3向V2逐漸減少。在第一層Cl中,隨著從第二部分P2朝向第一部分Pl,離聚物量從V2向Vl逐漸增加。
[0030]“離聚物量”如上所述,是每單位體積的陰極催化劑層的離聚物的質(zhì)量(g/cm3)。另夕卜,也可以取代上述離聚物量,而通過離聚物比例,即,單位體積的陰極催化劑層中的離聚物的比例來確定離聚物的多(少)。例如通過進(jìn)行AFM(原子力顯微鏡)/電流同時測定(通過導(dǎo)電性AFM)來測定_50[nA]以下的電流流動的部分的面積,由此能夠算出第一?第三部分Pl?P3的離聚物量。另外,各部分Pl?P3的測定部位設(shè)為多個部位。對于一個部分(Pl?P3中的任一個)包含的多個部位測定離聚物量,將各部位的離聚物量的算術(shù)平均作為該部分(Pl?P3)的離聚物量。
[0031]通過取為以上那樣的離聚物量分布特性,第一部分Pl的空隙率小于第二部分P2的空隙率,第三部分P3的空隙率小于第一部分Pl的空隙率。這是因為,與碳粒子的量相比,離聚物量更有助于催化劑層的各部分的空隙率。即,能夠基于所算出的空隙率來決定離聚物量的多少??芍障堵瘦^大的部分,離聚物量較少,空隙率較小的部分,離聚物量較多。
[0032]這樣,第一層Cl中的與電解質(zhì)膜11相接的第一部分Pl比第二部分P2的離聚物量多,另外空隙率小,因此能夠減少質(zhì)子的移動阻力。另外,第二層C2中與氣體擴(kuò)散層18相接的第三部分P3與第二部分P2相比離聚物量多,空隙率小,因此能夠抑制蒸發(fā)的水經(jīng)由氣體擴(kuò)散層18向燃料電池外流出,能夠防止電解質(zhì)膜11及催化劑層15的含水量的下降。此夕卜,第一層Cl與第二層C2之間的第二部分P2與第一及第三部分P1、P3相比離聚物量少,空隙率大,因此能夠提高催化劑層15中的反應(yīng)氣體的擴(kuò)散性。
[0033]另外,膜電極接合體10能夠防止電解質(zhì)膜11及催化劑層15的含水量的下降,因此具備膜電極接合體10的燃料電池能夠防止在容易干燥的環(huán)境下(例如,燃料電池內(nèi)成為溫度90°C以上的環(huán)境下)的性能下降。
[0034]另外,位于電解質(zhì)膜11與陽極氣體擴(kuò)散層16之間的陽極催化劑層14 (參照圖1B)的結(jié)構(gòu)也具有與位于電解質(zhì)膜11與陰極氣體擴(kuò)散層18之間的陰極催化劑層15 (參照圖1B及圖3)大致相同的結(jié)構(gòu)。因此,陽極催化劑層14也起到與以上所說明的陰極催化劑層15相同的效果。但是,與陽極催化劑層14對應(yīng)的陽極氣體擴(kuò)散層16相當(dāng)于與陰極催化劑層15對應(yīng)的陰極氣體擴(kuò)散層18。
[0035]另外,催化劑層14、15的厚度沒有特別限定,分別為2 μπι以上且25 μm以下為優(yōu)選。另外,為了提高反應(yīng)氣體的擴(kuò)散性,催化劑層14、15的第一層Cl的多個空隙156相互連通為優(yōu)選。另外,為了使從氣體擴(kuò)散層16、18供給的反應(yīng)氣體擴(kuò)散至位于電解質(zhì)膜11 一側(cè)的第一層Cl,催化劑層14、15中的空隙156從第二層C2相互連通至第一層Cl為優(yōu)選。
[0036]C.制造方法:
[0037]圖4是表示膜電極接合體10的制造方法的工序圖。如圖所示,在膜電極接合體10的制造時,首先,制作陰極催化劑層15用的催化劑漿料(工序SI)。詳細(xì)而言,使用保持有鉑催化劑的碳材料和離聚物,以使它們(離聚物的重量/碳重量)之比成為I?1.2的方式向水和乙醇分散,由此來制作催化劑漿料。
[0038]接下來,將在工序SI中得到的催化劑漿料涂敷在聚四氟乙烯(PTFE)片上,以50°C?150°C干燥2分鐘以上,由此來制作陰極催化劑層(工序S2)。相同地,陽極催化劑層14也通過工序SI及工序S2來制作。
[0039]接著,將在工序S2中得到的陰極催化劑層和陽極催化劑層通過熱壓而轉(zhuǎn)印到電解質(zhì)膜上,由此來制作MEA (Membrane Electrode Assembly:膜電極)(工序S3)。通過該熱壓進(jìn)行加熱、加壓,由此能夠使催化劑層中的離聚物偏向電解質(zhì)膜側(cè),而能夠得到具有圖3的b所示的離聚物量分布特性的催化劑層。另外,也可以取代熱壓而通過熱輥壓等其他方法進(jìn)行加熱、加壓。
[0040]接著,通過熱壓而將MEA與氣體擴(kuò)散層接合,由此來制造作為MEGA (MembraneElectrode and Gas Diffus1n Layer Assembly:膜電極和氣體擴(kuò)散層組件)的膜電極接合體10。也可以取代熱壓而通過熱輥壓等其他方法進(jìn)行加熱、加壓。
[0041]D.實施方式的效果: