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CN100541887C - 燃料电池及燃料电池的制造方法 - Google Patents

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CN100541887C
CN100541887C CNB2005800212574A CN200580021257A CN100541887C CN 100541887 C CN100541887 C CN 100541887C CN B2005800212574 A CNB2005800212574 A CN B2005800212574A CN 200580021257 A CN200580021257 A CN 200580021257A CN 100541887 C CN100541887 C CN 100541887C
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Abstract

本发明可以得到一种燃料电池，其抑制了作为电池特性退化的主要原因之一的过氧化氢的生成，可以防止电解质体的退化，同时能够长期稳定地维持高的电池特性。该燃料电池在相向配置的燃料极(2)及氧化剂极(1)之间，配置着具有离子传导性的电解质体(3)，所述电解质体(3)是第1电解质层(3A)、和以夹持该第1电解质层(3A)的方式而分别配置的第2电解质层(3B)的3层结构，所述第2电解质层(3B)分别与所述燃料极(2)及所述氧化剂极(1)接触，并且是用于防止氧从所述氧化剂极(1)向所述燃料极(2)透过的层，并且在该层内含有催化剂。

Description

燃料电池及燃料电池的制造方法
技术区域
本发明涉及一种燃料电池及燃料电池的制造方法，其可以抑制作为电池特性退化的主要原因之一的过氧化氢的生成。
背景技术
燃料电池发电系统是使氢等燃料气体和空气等氧化剂气体发生电化学反应而将反应气体所具有的化学能转换为电能的装置。由于通过电化学反应生成的物质只是水，所以人们期待将其作为清洁的发电机。
利用这样的无公害能源且编入燃料电池发电系统的燃料电池主体，由燃料电池层叠体、以及反应气体供给岐管结构。其中，燃料电池层叠体由多个单元电池装置层叠而成，所述单元电池装置包括：单元电池，其是在相向配置的燃料极和氧化剂极之间，配置具有离子传导性的电解质体而形成的；燃料气体供给隔板和氧化剂气体供给隔板，其上分别设置有反应气体供给槽路(燃料气体供应槽路或氧化剂气体供给槽路)，用于向各自的电极供给反应气体(燃料气体或氧化剂气体)，且具有导电性和不透气性；以及冷却水供给隔板，其上设置有冷却水供给槽路。另外，所述反应气体供给岐管配置在燃料电池层叠体的侧面，用于分别向上述反应气体槽路供给反应气体。
此外，向反应气体供给槽路直接供给水的燃料电池主体有时不插入冷却水供给隔板。另外，在使用甲醇等液体作为燃料的情况下，也可以通过将反应气体更换为反应液而设计为同样的结构。
在这样构成的燃料电池主体中，如果向燃料气体供给槽路及氧化剂气体槽路供给各自的反应气体，则在单元电池的一对电极上，分别进行如下所示的电化学反应，从而在电极间产生电动势。
燃料极：2H2→4H++4e-      (1)
氧化剂极：O2+4H++4e-→2H2O……    (2)
在燃料极，正如反应式(1)所示的那样，将供给的氢气离解为氢离子和电子。此时，氢离子通过电解质体，而电子通过外部电路分别向氧化剂极移动。
另一方面，在氧化剂极，正如反应式(2)所示的那样，供给的氧化剂气体中的氧和上述的氢离子以及电子进行电化学反应(氧还原反应)而生成水。此时，通过外部电路的电子形成电流，从而可以供给电力。
此外，根据反应式(1)、(2)的反应而生成的水与没有被燃料电池主体所消耗的反应气体一起，经由反应气体排出岐管而排出到燃料电池主体的外部。
但是，燃料电池根据所使用的电解质体的种类的不同，可分为碱性型燃料电池、磷酸型燃料电池、固体高分子型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池。
在这些燃料电池中，作为电解质体而使用固体高分子电解质膜(以下称为电解质膜)的固体高分子型电池由于可以在较低的温度下运转，起动时间较短，可以获得较大的输出密度，因而作为固定电源用途、车载电源用途、便携电源用途而格外受到关注。
这样受到关注的固体高分子型电池的电解质膜，可以使用厚度约为10～100微米的全氟化碳磺酸膜，例如Nafion(商品名：杜邦公司生产)等。
该电解质膜具有分隔燃料气体和氧化剂气体的反应气体分隔功能、以及将在燃料极生成的氢离子传输到氧化剂极的功能，并具有优良的氢离子传导性。不过，该电解质膜具有如下的属性：在含有水分的情况下虽然表现出良好的氢离子传导性，但当水分减少时，就会使氢离子传导性显著降低。因此，必须保持电解质膜的湿润度，但当提高电解质膜的水分时，则存在的问题是：反应气体容易透过电解质膜(cross-leak或cross-over：透过)，从而向对电极的反应气体的透过量增多。
在固体高分子型电池的运转过程中，上述的微量反应气体的透过将会导致电池电压的降低，所以防止反应气体的透过便成为重要的课题。特别地，人们已知从燃料极向氧化剂极的燃料的透过会妨碍氧化剂极的上述反应式(2)所示的氧还原反应，从而导致电池电压的降低。
对此，作为抑制电解质膜中反应气体透过的公知实例，有以下所述的实例。即公开了如下的技术(参照专利文献1)，其特征在于：为了使透过电解质膜的反应气体在固体高分子膜内进行反应，在整个电解质膜内分散铂等金属催化剂。专利文献1在固体高分子膜内使燃料气体和氧化剂气体反应，由此在膜内生成水而使膜湿润化，同时以防止反应气体的透过为目的。根据该项技术的记载，可以实现固体高分子膜的湿润化，同时可以减薄膜的厚度，而且可以防止反应气体的透过，从而可以提供一种高性能的燃料电池。
另外，还公开了如下的技术(参照专利文献2)，其特征在于：在氧化剂极配置由催化剂、氧化物和高分子电解质材料构成的催化剂、氧化物和高分子电解质薄膜层。根据专利文献2的记载，使从燃料极向氧化剂极透过电解质膜的氢气在氧化剂极的催化剂、氧化物和高分子电解质薄膜层与氧发生反应，由此可以防止电池性能的降低。
再者，还公开了在电解质膜中含有并保持催化剂的技术(参照专利文献3)，这是为了在电池运转中使电解质膜中的水的自生成反应高效地进行，从而含有在电解质膜中间部附载了金属的催化剂附载粒子。通过设计为如专利文献3所述的结构，其使必要的最低限度的金属催化剂得以有效利用，从而可以提供一种电池运转中的质子传导性较高的电解质膜-电极接合体。此外，除上述的公知实例以外，作为催化层的改良发明，公知实例还有各种各样(参照专利文献4、5、6、7)。
最近的研究从与上述不同的角度进行了电池电压降低的研究。
例如，稻叶氏等人报道：在氧化剂极的如反应式(2)所示的氧还原反应过程中，因反应式(3)所示的副反应而生成过氧化氢(H2O2)的副产物，由于该过氧化氢促进电解质膜的分解、以及因反应气体的透过而产生的局部发热使电解质膜发生退化等，导致电池性能的降低(参照非专利文献1)。
O2+2H++2e→H2O2        (3)
但是，目前尚未提出针对这些电解质膜退化的有效的对策。
专利文献1：特开平7-90111号公报
专利文献2：特开2003-86192号公报
专利文献3：特开2003-59511号公报
专利文献4：日本专利第3411897号
专利文献5：特开2003-59507号公报
专利文献6：特开2004-6306号公报
专利文献7：特开2002-542590号公报
非专利文献1：稻叶等，“PEFC空气极的过氧化氢副产物以及对Nafion的影响”，第10回燃料電池シンポジウム講演予稿集，P261-264，2003
发明内容
如上所述，已知当氢从燃料极向氧化剂极通过电解质膜而透过时，则氧化剂极的氧还原反应将受到妨碍，从而导致电池电压的降低，并提出了各种各样的对策。
另一方面，发明人等着眼于过氧化氢的生成会加速电解质膜的退化，根据我们最近的研究，得到了以下新的见解：即发现当发生反应气体的透过时，就有可能加速过氧化氢的生成。进一步还发现，电极催化层的电位越低，或氧浓度越高，则生成越多的过氧化氢(H2O2)。在燃料电池中，满足上述条件的具体条件是氧从氧化剂极透过到燃料极的情况。由上可知：如果氧从氧化剂极通过电解质膜透过到电位较低的燃料极，则有可能在燃料极的催化层生成大量的过氧化氢而促进电解质膜的分解。结果获得了如下的见解：即为了抑制加速电解质膜退化的过氧化氢的生成，重要的是防止氧从氧化剂极向燃料极的透过。
下面将就根据发明人等研究得到的关于过氧化氢生成速度的一部分数据和详细的见解进行讨论。图1表示以工作电极的电位及供给气体中的氢浓度为参数而测得的因二电子反应而产生的氧还原电流的结果。试验采用旋转环盘电极(RRDE)法，在设定为各数值的工作电极(盘电极)的电位下，以供给工作电极的氧基底气体(base gas)中的氢浓度为参数，分别用环电极测量了因二电子反应而产生的氧还原电流。
以下表示试验条件。旋转环盘电极法是在注入了电解液的容器内，对于其构成包括以能够旋转的方式受到支持的盘电极、和配设在盘电极周围的环电极的环盘电极，如果使上述的环盘电极旋转，则会发生溶液的流动，并按溶液整体→盘电极→环电极的方向输送电解质。盘电极和环电极通过该电解质的输送而相互关联。旋转环盘电极法就是基于这样的原理、以获得关于电极反应的生成物和中间体的情报的方法。
实验条件如下：
电解质溶液：0.5摩尔的硫酸水溶液
工作电极：铂旋转环盘电极
对电极：铂丝
电极转速：1500(rpm)
测量温度：室温(25℃)
电位基准：可逆氢电极基准
供给气体：纯氢和纯氧的混合气体(在电解液鼓泡)
参数：供给气体组成(氧和氢的混合比率)及工作电极的电位
在图1中，纵轴表示当氧化因上述反应式(3)的二电子反应而在工作电极生成的过氧化氢时、流入环电极的电流(环电极的氧化电流)，该电流值成为过氧化氢生成量的指标。
这意味着上述的电流值越大，过氧化氢的生成速度越快。横轴表示的是氢和氧的混合比例，越往左边，氧浓度越高，越往右边，氢浓度越高。各符号表示各自测量的工作电极的电位。
从图1可知，在各电极电位下，氧浓度越高，则过氧化氢的生成速度越快，而且如果是相同的气体组成，则电极电位越低，过氧化氢的生成速度就越快。而且还知道，电极电位较低、氧浓度较高时，过氧化氢的生成速度最快。
在燃料电池的运转中，一般地说，供给氢气的燃料极的电极电位较低，为0.03V左右；供给氧化剂气体(空气)的氧化剂极的电极电位较高，约为0.7V以上。图1表示由使用旋转环盘电极的上述要素试验得到的结果，由该结果可知：在电极电位较高的氧化剂极，即使因来自燃料极的氢的透过而使氢混入氧中，过氧化氢的生成速度也比较小，在电极电位较低的燃料极，如果因来自氧化剂极的氧的透过而使氧混入氢中，则过氧化氢的生成速度就会急剧增加。
根据上述的实验结果，为了抑制使电解质膜的退化加速的过氧化氢的生成，防止氧从氧化剂极向燃料极的透过是极其重要的。以前，以防止在氧化剂极进行的氧还原反应的阻碍为目的，提出了使反应气体通过电解质膜的透过受到抑制的技术，但是，由于它们不是以抑制上述过氧化氢的生成而实现电池性能的稳定化为目的，所以其效果较小，而且还存在下述的几个课题。
例如，公开了与专利文献1和专利文献2相关联的技术。
专利文献1所公开的技术因为需要在整个电解质膜内分散铂等金属催化剂，所以有可能产生下列的问题。即为了切实地抑制透过电解质膜的氧，需要使电解质膜内分散的催化剂浓度在一定值以上，需要数量较多的催化剂量。另外，通过分散催化剂等导电性材料，电解质膜本身的电绝缘性降低，从而燃料极和氧化剂极发生电短路的风险升高。
另外，除了为提高电解质膜的保水性而添加的金属催化剂之外，亲水材料优选的是非绝缘性材料，当添加碳之类的导电性物质时，则进一步增加电短路的风险。再者，因为电解质膜本身为树脂，所以热传导性极低，在整个电解质膜内分散金属催化剂的专利文献1中，在电解质膜的中心部蓄积因燃料和氧的反应而产生的反应热，特别地，当使用较厚的电解质膜时，则膜中心部的温度有可能上升，从而加速促进电解质膜的退化。
其次，在专利文献2所公开的技术中，催化剂、氧化物和高分子电解质薄膜层为第2催化层，其作为氧化剂极的一部分而发挥作用，用于补充催化层原本具备的功能。电解质膜由于不具备防止反应气体透过的功能，所以透过的氢气便在作为第2催化层的催化剂、氧化物和高分子电解质薄层与氧气发生反应。在专利文献2中，像上述那样透过的氢在催化剂、氧化物和高分子电解质薄膜层被消耗，不能期待表现出氧透过的防止功能。
另一方面，如果在氧化剂极使氢气和氧气直接发生反应，则有可能在促进上述反应式(2)所示的氧还原反应的同时，也会促进反应式(3)所示的反应，从而在氧化剂极生成过氧化氢。
由上可知，专利文献2使透过的氢在作为氧化剂极的一部分的催化剂、氧化物和高分子电解质薄膜层与氧气发生反应，不能防止电解质膜的退化而导致电池性能的降低。
因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池及燃料电池的制造方法，其可以有效地防止氧从氧化剂极向燃料极的透过，其结果可以抑制过氧化氢的生成，可以防止电解质体的退化，同时可以长期稳定地维持高的电池特性。
为实现上述目的，本发明的第一个方面是提供一种燃料电池，其在相向配置的燃料极和氧化剂极之间配置着具有离子传导性的电解质体，其特征在于：上述电解质体由多个电解质层构成，其中与上述燃料极及上述氧化剂极的至少一方接触的电解质层是用于防止氧从上述氧化剂极向上述燃料极透过的层，并且在该层内含有催化剂。
附图说明
图1是以工作电极的电位和供给气体中的氢浓度为参数而氧化过氧化氢时，表示环电极所流过的电流的测量结果的图。
图2是表示本发明实施例1的燃料电池单元电池的剖面图。
图3是表示本发明实施例2、3、4的燃料电池单元电池的剖面图。
图4是表示本发明实施例5的燃料电池单元电池的剖面图。
图5是表示图2～图4的单元电池及以前的单元电池的氧气透过量的图。
图6是本发明实施例1、实施例5的单元电池及以前的单元电池的电流密度和电压的特性图。
图7是表示本发明实施例1、3、5的单元电池及以前的单元电池的发电时间和燃料电池的电池电压的特性图，以及表示本发明实施例5的单元电池及以前的单元电池的发电时间和氟排出速度的特性图。
图8是本发明实施例2、实施例3的单元电池及以前的单元电池的电流密度和电压的特性图。
图9是表示本发明实施例3所示的第2电解质层的内部构造的示意图。
图10是表示本发明实施例4所示的第2电解质层的内部构造的示意图。
图11比较了本发明实施例3的单元电池和实施例4的单元电池的内阻。
图12是表示本发明实施例4所示的第2电解质层的内部构造的示意图。
图13表示本发明实施例6的电解质层的制造工序。
图14表示本发明实施例7的电解质层的制造工序。
图15表示本发明实施例8的电解质层的制造工序。
图16是本发明实施例7的催化层及电解质层界面的剖面示意图。
图17是本发明实施例8的催化层及电解质层界面的剖面示意图。
图18是在氧化于铂-钴催化剂上产生的过氧化氢时，表示环电极所流过的电流的测量结果。
具体实施方式
下面参照附图就本发明的实施方案进行说明。图2、图3、图4是用于说明各自不同的本发明实施方案的燃料电池单元电池的剖面图。首先，就其大致结构进行说明。各自的单元电池在相向配置的燃料极2及氧化剂极1之间，配置了具有离子传导性的电解质体3(含有磺酸基的氟系磺酸高分子膜)，这样构成的燃料电池采用如下的结构。
图2所示的“本发明的单元电池A”的电解质体3由第1电解质层3A和第2电解质层3B2层构成，其构成是在氧化剂极1的氧化剂极催化层1B侧配置电解质体3A，在燃料极2的燃料极催化层2B侧配置第2电解质层3B。
该第2电解质层3B用于防止氧从氧化剂极1向燃料极2的透过，在第2电解质层3B内，例如以分散的状态含有由后述材料构成的催化剂。用氧化剂气体供给用隔板4和燃料气体供给用隔板5夹持上述的单元电池便构成单元电池装置。
图3所示的“本发明的单元电池B”的电解质体3由第1电解质层3A和第2电解质层3B2层构成，其构成是在氧化剂极1的氧化剂极催化层1B侧配置电解质层3B，在燃料极2的燃料极催化层2B侧配置第1电解质层3A。
该第2电解质层3B用于防止氧从氧化剂极1向燃料极2的透过，在第2电解质层3B内，例如以分散的状态含有由后述材料构成的催化剂。用氧化剂气体供给用隔板4和燃料气体供给用隔板5夹持上述的单元电池便构成单元电池装置。
图4的“本发明的单元电池C”的电解质体3是用第2电解质层3B夹持第1电解质层3A的3层结构，其构成是在氧化剂极1的氧化剂极催化层1B侧及燃料极2的燃料极催化层2B侧，分别配置有电解质层3B。
第2电解质层3B用于防止氧从氧化剂极1向燃料极2的透过，在第2电解质层3B内，例如以分散的状态含有由后述材料构成的催化剂。用氧化剂气体供给用隔板4和燃料气体供给用隔板5夹持上述的单元电池便构成单元电池装置。
此外，以上说明的“本发明的单元电池A”、“本发明的单元电池B”以及“本发明的单元电池C”所使用的氧化剂极1和燃料极2分别由扩散层和催化层构成，但也可以在其间配置用碳等形成的中间层。
为评价上述本发明的单元电池构成中各自的电解质体3的氧透过防止效果而实施了以下的试验。用2张气体扩散性板夹持着作为试样的电解质体，安装在可以分别向两面供给和排出反应气体的夹具上。向上述试样的一个面上供给预先加湿的纯氢，向另一个面上供给预先加湿的纯氧，用气体分析装置对排出的纯氢中含有的氧进行定量，由此评价从纯氧供给侧向纯氢供给侧透过的氧。
此外，本试验为排除催化层中因氢气和氧气的反应而产生的消耗氧的效果，不形成氧化剂极催化层1B及燃料极催化层2B。另外，作为比较例，对贴合有2片作为以前的电解质层的第1电解质层3A的电解质体也实施了同样的试验。以前的单元电池通常使用1片电解质体，但在本试验中，为排除2片贴合在一起的影响而采用了上述的结构。但是，由于1片电解质体和本比较例的电解质体的氧透过量大致相同，故而以下称为“以前的单元电池”的电解质体。
向电解质体的纯氢及纯氧的供给面分别参照“本发明的单元电池A”、“本发明的单元电池B”以及“本发明的单元电池C”的构成。
图5表示各单元电池结构的电解质体中氧透过速度(透过量)的测量结果。
由图可知“本发明的单元电池A”的电解质体的氧透过速度为“以前的单元电池”的25％左右，从而具有充分的氧透过防止效果。“本发明的单元电池B”的电解质体的氧透过速度是“以前的单元电池”的65％左右，与“本发明的单元电池A”比较，其效果较小，但可以确认具有氧透过防止效果。“本发明的单元电池C”的电解质体的氧透过速度为“以前的单元电池”的7％左右，可以得到最高的氧透过防止效果。这可以认为发挥出了“本发明的单元电池A”和“本发明的单元电池B”两者的效果。
如上所述，将第2电解质层3B配置在燃料极2侧的“本发明的单元电池A”及“本发明的单元电池C”的电解质体的氧透过防止效果较高。
可以认为其理由如下：
一般地说，固体高分子电解质膜中物质的扩散是浓度扩散，从而在电解质膜内产生浓度分布。可以认为氧的透过系数小于氢的透过系数，仅为氢的透过系数的几分之一，所以燃料极2侧的第2电解质层3B的氧浓度比较低，另一方面，氢浓度变得比较高。因此，通过在该区域集中地含有并保持催化剂，可以在电解质体内使氧与氢有效地发生反应而消耗。此外，可以认为消耗氧的反应是根据反应式(4)进行的。
2H2+O2→2H2O    (4)
此外，燃料极2侧的第2电解质层3B必须确保某种程度的电绝缘性。如果含有保持的催化剂量过多，则第2电解质层的电子传导性升高。如果第2电解质层3B的电子传导性升高，则与燃料极2接触的第2电解质层3B内含有保持的催化剂的电位就接近燃料极(比较低的)的电位，所以正如图1所示的那样，电解质体内的氢和氧的反应也会生成过氧化氢。为此，必须确保第2电解质层3B的某种程度的电绝缘性。此外，可以允许增加若干的电子导电性。本发明因为配置了原本的电解质层(第1电解质层3A)，所以即使第2电解质层3B的电子传导性增加若干，作为单元电池的电短路也不会产生。
另一方面，在氧化剂极1侧配置有第2电解质层3B的、“本发明的单元电池B”的电解质体的氧透过防止效果比较低。作为其理由，一般认为是与在上述燃料极2侧配置有第2电解质层3B的情况相反，氧化剂极1侧的第2电解质层3B的氧浓度比较高，另一方面，氢浓度变得比较低。因此，一般认为即使在该区域含有保持催化剂，一部分的氧也不会与氢反应而透过。但是，在氧化剂极1侧配置的第2电解质层3B即使多少会牺牲一些电绝缘性，但是通过添加较多的催化剂，可以提高氧透过防止效果。这是因为：即使第2电解质层3B的电绝缘性降低，也由于含有保持的催化剂的电位接近氧化剂极的(比较高)电位，所以正如图1所示的那样，不会加速过氧化氢的生成。
如上所述，构成“本发明的单元电池A”、“本发明的单元电池B”、“本发明的单元电池C”的电解质体3可以有效地防止氧从氧化剂极1向燃料极2的透过。特别地，“本发明的单元电池C”在氧化剂极1和燃料极2的两极侧配置有第2电解质层3B，构成“本发明的单元电池C”的电解质体3明显具有较大的效果。作为上述的作用效果，可以抑制过氧化氢的生成，可以防止电解质体3的退化，同时还可以长期稳定地维持高的电池特性。
另外，由于本发明以接触像氧化剂极1或燃料极2那样具有较高热传导性的电极之中的任一个的方式而配置第2电解质层3B，所以氧和氢的反应热不会积蓄在第2电解质层3B内，可以通过任一个电极而除去，因此，还具有的效果是可以减小因反应热而对电解质体造成的损害。
本实验将含有磺酸基作为离子传导性基的氟系磺酸高分子膜用作电解质层，但只要是含有诸如羧基、磷酸基之类的离子传导性基的高分子膜，就可以得到同样的效果。
另外，作为第2电解质层3B含有的催化剂，虽然使用碳载铂，但没有必要附载在碳上，另外，只要是具有催化作用的金属，则即便使用钴、钯、金、铱、铑、钌之中的任一种，或者将它们合并使用，也可以得到同样的效果。特别地，由于铂-钴催化剂的催化活性较高，过氧化氢生成的抑制效果较好，所以作为电解质层3B所含有的催化剂是特别有效的。
图18是根据旋转环盘电极法进行的、在各电位下的过氧化氢生成量的测量结果。横轴表示工作电极的电位，纵轴表示过氧化氢生成量的指标、即氧化过氧化氢时流过环电极的电流(环电极的氧化电流)。作为参考，也记载了使用铂催化剂的测量值。与铂催化剂相比较，可知在低电位下的过氧化氢的生成量特别少。此外，本实施方案就以氢气为燃料的燃料电池进行了说明，但以液体为燃料的燃料电池(直接甲醇型燃料电池：DMFC)也可以得到同样的效果。
本发明的单元电池具有如上所述的电解质层，其用于防止氧从氧化剂极向燃料极的透过，在制造本发明的单元电池时，优选同时热压接燃料极、电解质体、氧化剂极而使之成为一体化结构。这样不但可以制造各个部件的接触性得以提高、且具有高性能的单元电池，而且在层叠多个上述的单元电池以制作燃料电池堆的情况下，也使操作变得容易。
另外，在上述电解质体的制造中，通过预先在树脂薄片上成形含有催化剂的第2电解质层，便可以形成较薄的第2电解质层，可以防止制造时第2电解质层发生破损，而且制造也变得容易。上述的树脂薄片上成形的第2电解质层热压接于含有催化剂的电解质层以外的电解质层、燃料极或氧化剂极之中的任一个之上，然后通过剥离上述的树脂薄片，不损坏第2电解质层便可以制作单元电池。
下面就本发明的具体实施例进行说明。
(实施例1)
使用图2就本发明实施例1的燃料电池的单元电池装置进行说明。此外，本实施例1的单元电池的构造与图5所示的单元电池A的构造相同。实施例1的单元电池装置的结构是：单元电池在由氧化剂极催化层1B和氧化剂极扩散层1A组成的氧化剂极1与由燃料极催化层2B和燃料极扩散层2A组成的燃料极2之间，配置由第1电解质层3A和第2电解质层3B组成的电解质体3，然后用氧化剂气体供给用隔板4和燃料气体供给用隔板5夹持该单元电池。此外，第2电解质层3B以与燃料极催化层2B直接接触的方式进行配置。
第1电解质层3A以氢离子交换基的形式，将膜厚为25微米的Nafion膜(杜邦公司生产)用作具有磺酸基的氟系磺酸高分子膜。第2电解质层3B则以氢离子交换基的形式，在具有磺酸基的氟系磺酸高分子膜中含有保持着附载在碳上且具有催化作用的金属，并将膜厚设定为10微米。
其次，就本实施例1的单元电池的制造方法进行说明。
燃料极2采用如下的结构：即在通过聚四氟乙烯对碳纸进行过憎水处理的燃料极扩散层2A上涂布催化剂糊剂，从而形成燃料极催化层2B。催化剂糊剂是在将40wt％铂附载于碳黑上的碳载催化剂中，添加氟系磺酸高分子树脂溶液而使其成为糊剂状。涂布糊剂使铂涂布量为0.4mg/cm2，在70℃进行干燥以除去溶剂。此外，在形成燃料极催化层2B的表面，预先形成由碳粉末和氟树脂组成的薄膜，不过在图2中省略了它的记载。
接着按照与燃料极2同样的工序制作氧化剂极1。但作为催化剂，使用的是在碳黑上附载50wt％铂的碳载催化剂，进行涂布使铂涂布量为0.4mg/cm2。
第2电解质层3B是按下述方法制得的，即在氟系磺酸高分子树脂溶液中将在碳黑上附载50wt％铂的碳载催化剂分散而制得糊剂，然后在聚四氟乙烯薄片上涂布该糊剂，继而于70℃的条件下进行减压干燥而成膜。调整糊剂的组成，使碳载催化剂和高分子电解质的混合重量比为20∶80，并将膜厚设定为10微米。成膜后，从聚四氟乙烯薄片上剥离第2电解质层3B，并对其电阻进行了测量，结果可以确认具有0.4MΩ左右的充分的电绝缘电阻。将上述的氧化剂极1、第1电解质层3A、第2电解质层3B和燃料极2按上述的顺序进行重叠，在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机热压接5分钟。
通过一次热压接4个结构部件，可以谋求制造时间的缩短。
用氧化剂气体供给用隔板4、燃料气体供给用隔板5夹住如上述那样制作的单元电池而构成单元电池装置。对按上述步骤制作的单元电池装置实施发电试验。
其次，就发电试验的结果进行说明。此外，作为比较例，采用与上述同样的电极制作单元电池装置，而且在该单元电池装置中，使用了不含催化剂的以前的电解质体，然后就该单元电池装置实施发电试验。图6表示了本实施例的实施例1的单元电池和以前的单元电池的电流-电压特性。
如图6所示，可以看出实施例1的单元电池在开路电压、各电流密度下的电池电压均比以前的单元电池有若干的改善。
其次，对于本实施例的实施例1的单元电池和以前的单元电池，各自的电池电压随时间的变化如图7所示。可以看出实施例1的单元电池的初始电池电压比以前的单元电池有若干的改善。另一方面，还可知电池电压的降低速度与以前的电池相比较，得到了大幅度的改善。
如图5所示，这可以认为其原因在于：通过在燃料极侧配置第2电解质层，可以有效地防止氧从氧化剂极侧向燃料极侧的透过，可以将过氧化氢的生成所引起的电解质层的退化控制在最低限度。
(实施例2)
使用图3就本发明实施例2的燃料电池单元电池装置进行说明。此外，本实施例2的单元电池的构造与图5所示的单元电池B的构造相同。
实施例2的单元电池装置的结构是：单元电池在由氧化剂极催化层1B和氧化剂极扩散层1A组成的氧化剂极1与由燃料极催化层2B和燃料极扩散层2A组成的燃料极2之间，配置由第1电解质层3A和第2电解质层3B组成的电解质体3，然后用氧化剂气体供给用隔板4和燃料气体供给用隔板5夹持该单元电池。此外，第2电解质层3B以与氧化剂极催化层1B直接接触的方式进行配置。
第1电解质层3A以氢离子交换基的形式，将膜厚为25微米的Nafion膜(杜邦公司生产)用作具有磺酸基的氟系磺酸高分子膜。第2电解质层3B则以氢离子交换基的形式，在具有磺酸基的氟系磺酸高分子膜中含有保持着铂黑作为具有催化作用的金属催化剂，并将膜厚设定为10微米。
下面就本实施例2的单元电池的制造方法进行说明。燃料极2及氧化剂极1根据实施例1所示的方法分别制作。第2电解质层3B是按下述方法制得的，即在用水分散的铂黑中添加氟系磺酸高分子树脂溶液而制得糊剂，然后在聚四氟乙烯薄片上涂布该糊剂，继而于70℃的条件下进行减压干燥而成膜。此外，调整糊剂的组成，使铂黑和高分子电解质的混合重量比为5∶95，并将膜厚设定为10微米。成膜后，从聚四氟乙烯薄片上剥离第2电解质层3B，并对其电阻进行了测量，结果可以确认能够确保1MΩ以上电绝缘性。
将上述的燃料极2、第1电解质层3A、第2电解质层3B和氧化剂极1按上述的顺序进行重叠，在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机热压接5分钟。通过一次热压接4个结构部件，可以谋求制造时间的缩短。
用氧化剂气体供给用隔板4、燃料气体供给用隔板5夹住如上述那样制作的单元电池而构成单元电池装置。
下面说明按上述步骤制作的单元电池装置的发电试验结果。此外，作为比较例，采用与上述同样的电极制作单元电池装置，而且在该单元电池装置中，使用了不含催化剂的以前的电解质体，然后就该单元电池装置实施发电试验。
图8表示了本实施例的实施例2的单元电池和以前的单元电池的电流-电压特性。此时的发电条件如下：单元电池温度为80℃，反应气体为纯氢/空气，反应气体加温温度为80℃/70℃，反应气体利用率为70％/40％。
如图8所示，实施例2的单元电池与以前的单元电池相比较，其开路电压较高，而且在各电流密度下，电池电压表现出较高的数值。可以认为在以前的单元电池中，由于氢气从燃料极2向氧化剂极1透过，在氧化剂极催化层1B的催化剂上氢气直接与氧气发生反应，所以在开路状态也会流过短路电流，从而使开路电压降低。另外，一般认为透过的氢气妨碍在阴极催化剂上进行的氧还原反应，这成为在各电流密度下电池电压降低的主要原因。与此相对照，在实施例2的单元电池中，从燃料极2透过来的氢气与从氧化剂极透过来的氧气在第2电解质层3B内的铂黒上发生反应，由此在到达氧化剂极之前便被消耗而变成水。也就是说，一般认为在氧化剂极1侧配置的第2电解质层3有效地发挥着氧透过防止功能及氢透过防止功能。
此外，就与本实施例同样的第2电解质层配置在燃料极侧的实施例1的单元电池进行了评价，结果(参照图6)可以看出：虽然开路电压、各电流密度下的电压均比以前的单元电池的电池特性有所改善，但没有表现出像本实施例那样高的改善效果。一般认为这取决于电解质体3中氢和氧的浓度差。通过电解质体3的气体透过速度依赖于电池的运转温度、电解质体的保水量，但一般地说，氢的透过速度比氧大数倍。因此，即使在燃料极2侧形成第2电解质层，在上述电解质体内的氢浓度也大于氧浓度，所以未与氧反应的过剩的氢便通过上述膜内。结果氢便通过第1电解质层而向氧化剂极1透过。另一方面，在氧化剂极1侧形成第2电解质层的情况下，上述第2电解质层内的氧浓度较高，可以与从燃料极2透过来的氢发生反应，从而可以有效地防止氢的透过。
如上所述，可知实施例2的单元电池通过在氧化剂极1和第1电解质层3A之间配置第2电解质层3B，不但具有从氧化剂极1向燃料极2的氧透过防止功能，而且还具有优良的从燃料极2向氧化剂极1的氢防止透过功能。这样，不会发生阻碍氧化剂极催化层1B的电极反应，可以得到高的电池电压，与以前的方法相比较，可以减少所使用的金属催化剂。另外，通过提高存在并保持于第2电解质层3B内的金属催化剂的浓度，即使是薄层也可以进一步发挥出充分的氧透过防止效果及氢透过防止效果，从而可以得到较高的电池电压。另外，在设计为第2电解质层3B的催化剂金属浓度得以提高的薄膜的情况下，第2电解质层3B内产生的生成热由于通过氧化剂极1的热传导而迅速地除去，因而可以防止因反应热引起的对第2电解质层3B的损害。
在此，即使通过提高金属催化剂的浓度而使电绝缘性多少有所降低，也由于第1电解质层3A维持电绝缘，因而具有不会发生单元电池内的内部短路的效果。
本实施例将铂用作具有催化作用的金属，但是，即使单独或混合使用钴、钯、金、铱、铑、钌也可以得到同样的效果。另外，第2电解质层3B以氢离子交换基的形式，使用具有磺酸基的氟系磺酸高分子树脂，但是，即使使用具有羧基、磷酸基等离子传导性基的离子传导性树脂，也可以得到同样的效果。
(实施例3)
下面使用图9就实施例3进行说明。实施例3的单元电池装置具有与图3所示的实施例2的单元电池装置同样的结构。
但如图9所示，所不同的是第2电解质层中含有保持的具有催化作用的金属催化剂7附载在碳材料6上。下面说明本实施例3的单元电池的制造方法。
燃料极2、氧化剂极1与实施例2同样地进行制作。第2电解质层3B是按下述方法制得的，即在氟系磺酸高分子树脂溶液中将在碳黑上附载50wt％铂的碳载催化剂分散而制得糊剂，然后在聚四氟乙烯薄片上涂布该糊剂，继而于70℃的条件下进行减压干燥而成膜。调整糊剂的组成，使碳载铂催化剂和高分子电解质的混合重量比为20∶80，并将膜厚设定为10微米。成膜后，从聚四氟乙烯薄片上剥离第2电解质层3B，并对其电阻进行了测量，结果可以确认具有0.3MΩ左右的电阻，虽然电导比实施例2稍有增加，但具有充分的电绝缘电阻。
将上述的燃料极2、第1电解质层3A、第2电解质层3B和氧化剂极1按上述的顺序进行重叠，在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机热压接5分钟。通过一次热压接4个结构部件，可以谋求制造时间的缩短。
下面使用图8就发电试验的结果进行说明。发电条件与实施例2同样。如图8所示，实施例3的单元电池的电流-电压特性与实施例2的单元电池相比较，开路电压进一步提高，而且在各电流密度下表现出高的电池电压。一般认为电池特性得以提高的机理与实施例2所示的相同。在本实施例3中，虽然第2电解质层3B的电绝缘性稍有降低，但因为有第1电解质层3A，所以不会发生内部短路而能够得到高的开路电压。另外，本实施例3将具有催化剂能力的铂附载在碳黑上，可以认为与实施例2所使用的铂黒相比较，表面积得以增大，因而提高了催化剂活性，相应地使氢透过防止效果得以提高。
其次，对于本实施例的实施例3的单元电池和以前的单元电池，各自的电池电压随时间的变化如图7所示。可以看出实施例3的单元电池的初始电池电压比以前的单元电池有大幅度的改善。另外，还可知电池电压的降低速度比以前的电池有所改善。
如图5所示，这可以认为其原因在于：通过在燃料极侧配置第2电解质层，可以有效地防止氧从氧化剂极侧向燃料极侧的透过，可以减少因过氧化氢的生成所引起的电解质层的退化。
如上所述，实施例2的单元电池通过在氧化剂极1和第1电解质层3A之间配置第2电解质层3B，不但具有从氧化剂极1向燃料极2的氧透过防止功能，而且还具有从燃料极2向氧化剂极1的氢防止透过功能。这样，不会发生阻碍氧化剂极催化层1B的电极反应而可以得到高的电池电压。另外，第2电解质层3B可以薄薄地形成，与以前的方法相比较，可以减少所使用的金属催化剂。
另外，通过提高含有保持于第2电解质层3B内的金属催化剂的浓度，即使是薄层也可以进一步发挥出充分的氢透过防止效果，从而可以得到较高的电池电压。通过提高金属催化剂的浓度，虽然降低了电绝缘性，但由于第1电解质层3A维持电绝缘，所以也具有不会发生电池内的内部短路的效果。
本实施例将具有催化作用的金属附载在碳黑上，但是，即使附载在碳纳米管、碳纤维、富勒烯上，也可以得到同样的效果。
另外，本实施例将铂用作具有催化作用的金属，但是，即使使用钴、钯、金、铱、铑、钌也可以得到同样的效果。
(实施例4)
下面使用图10就实施例4进行说明。实施例4的单元电池装置具有与图3所示的实施例2的单元电池装置一样的结构，但如图10所示，所不同的是将第2电解质层中含有保持的具有催化作用的金属催化剂7附载在氧化物8上。
其次，就本实施例4的单元电池的制造方法进行说明。
燃料极2及氧化剂极1与实施例1同样地进行制作。第2电解质层3B是按下述方法制得的，即在用水分散的附载着30wt％铂的二氧化钛中添加氟系磺酸高分子树脂溶液而制得糊剂，然后在聚四氟乙烯薄片上涂布该糊剂，继而于70℃的条件下进行减压干燥而成膜。此外，调整糊剂的组成，使铂和高分子电解质的混合重量比为5∶95，并将膜厚设定为10微米。成膜后，从聚四氟乙烯薄片上剥离第2电解质层3B，并对其电阻进行了测量，结果电阻在1MΩ以上。此外，附载铂的二氧化钛是采用如下方法制作的，即在氯化铂酸水溶液中分散二氧化钛，然后用甲醛使铂得以还原。
将上述的燃料极2、第1电解质层3A、第2电解质层3B和氧化剂极1按上述的顺序进行重叠，在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机热压接5分钟。对本实施例4的单元电池进行了发电试验，结果与实施例3同样，可以确认与以前的单元电池相比较，开放电压上升，各电流密度下的电池电压提高。
下面使用图11就以二氧化钛为载体的附带效果进行说明。图11对于上述实施例3的单元电池和本实施例4的单元电池，比较了采用1kHz的交流阻抗法测得的内阻的测量值。与实施例3的单元电池相比较，实施例4的单元电池的内阻达到较低的数值。随着内阻的降低，相应地可以预见电池电压的升高。在本实施例4的单元电池中，一般认为使具有催化作用的金属催化剂7附载在氧化物8上，藉此氧化物8保持着在第2电解质层3B内的金属催化剂7上生成的水，所以电解质层的含水量提高，从而电池的内阻得以降低。
在本实施例中，氧化物使用了二氧化钛(TiO2)，但是，即使使用二氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化铝(A12O3)、二氧化铈(CeO2)，也可以得到同样的效果。另外，如图12所示，当在第2电解质层3B内分别含有并保持着附载在碳材料6上且具有催化作用的金属催化剂7和氧化物8时，也可以得到同样的效果。
(实施例5)
使用图4就本发明实施例5的燃料电池的单元电池装置进行说明。此外，本实施例5的单元电池的构造与图5所示的单元电池C的构造相同。实施例5的单元电池装置的结构是：单元电池在由氧化剂极催化层1B和氧化剂极扩散层1A组成的氧化剂极1与由燃料极催化层2B和燃料极扩散层2A组成的燃料极2之间，配置由第1电解质层3A和第2电解质层3B组成的电解质体3，然后用氧化剂气体供给用隔板4和燃料气体供给用隔板5夹持该单元电池。此外，第2电解质层3B配置在第1电解质层3A的两面，分别与氧化剂极催化层1B和燃料极催化层2B直接接触。
第1电解质层3A以氢离子交换基的形式，将膜厚为25微米的Nafion膜(杜邦公司生产)用作具有磺酸基的氟系磺酸高分子膜。第2电解质层3B则以氢离子交换基的形式，在具有磺酸基的氟系磺酸高分子膜中含有保持着附载在碳上且具有催化作用的金属，并将膜厚设定为10微米。
下面就本实施例5的单元电池的制造方法进行说明。燃料极2及氧化剂极1与实施例1同样地进行制作。第2电解质层3B是按下述方法制得的，即在氟系磺酸高分子树脂溶液中将在碳黑上附载50wt％铂的碳载催化剂分散而制得糊剂，然后在聚四氟乙烯薄片上涂布该糊剂，继而于70℃的条件下进行减压干燥而成膜。调整糊剂的组成，使碳载催化剂和高分子电解质的混合重量比为20∶80，并将膜厚设定为10微米。成膜后，从聚四氟乙烯薄片上剥离第2电解质层3B，并对其电阻进行了测量，结果具有0.4MΩ左右的充分的电绝缘电阻。
将上述那样成膜的2片第2电解质层3B分别配置在第1电解质层3A的两面，使用120℃的热辊进行粘合，使其成为电解质体3。
将上述的氧化剂极1、电解质体3和燃料极2进行重叠，在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机热压接5分钟。用氧化剂气体供给用隔板4、燃料气体供给用隔板5夹住上述那样制作的单元电池而构成单元电池装置。
对按上述步骤制作的单元电池装置与实施例1同样地进行发电试验。其次，就发电试验的结果进行说明。图6表示了本实施例的实施例5的单元电池、以前的单元电池和实施例1的单元电池的电流-电压特性。如图6所示，可以看出实施例5的单元电池在开路电压、各电流密度下的电池电压均比以前的单元电池以及实施例1有较大的改善。如图5所示，可以认为这是因为：实施例5的结构可以有效地防止氢气从燃料极2向氧化剂极1的透过。
其次，对于本实施例的实施例5的单元电池和以前的单元电池，各自的电池电压及排出气体中的水所包含的氟离子量(作为氟排出速度的计算值)随时间的变化如图7所示。此外，氟是电解质膜的构成材料，通过测量排出气体中的氟量，可以推定电解质膜的退化速度。氟排出速度越大，电解质膜的退化速度越快。与以前的单元电池相比较，可知本实施例5的单元电池的电池电压较高，电池电压的降低速度得以大幅度的改善。另外，根据本实施例5的单元电池的氟排出速度减小的情况，也可知上述的改善效果。
如图5所示，可以认为其原因在于，通过在燃料极侧及氧化剂极侧分别配置第2电解质层，可以分别有效地防止氧和氢的透过，可以将由氧化剂极的电位降低和燃料极的过氧化氢生成所引起的电解质体的退化控制在最低限度。实施例5的单元电池可以得到实施例1和实施例3所示的两者的效果。
此外，根据试验后的分解调查，调查了电解质层的损伤情况，结果没有观察到因过热等引起的电解质层的损坏等。一般认为这是第2电解质层内产生的反应热被传递给邻接电极的效果。
(实施例6)
使用图13就实施例6进行说明。此外，图13表示单元电池的制造工序的一部分。在氟系磺酸高分子树脂溶液中，分散了作为具有催化作用的金属催化剂7的铂黒，在聚四氟乙烯的薄片9上，涂布该氟系磺酸高分子树脂溶液，以形成膜厚为10微米的第2电解质层3B。铂黒和高分子电解质的混合重量比设定为10∶90。尽管膜厚很薄，也可以重现性良好地制作没有针孔等破损、且厚度均匀的薄膜。
此外，通常膜厚较薄的电解质层3B，其强度较低，所以在制作大面积单元电池的情况下，作为单独膜进行操作是非常困难的，但正如本实施例所述，通过形成在聚四氟乙烯的薄片9上，便使操作变得容易。在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机将上述第2电解质层3B在膜厚为25微米的第1电解质层3A上热压接3分钟，便可以得到电解质体3。然后，剥下附着在第2电解质层3B上的聚四氟乙烯的薄片9，而所得到电解质体3是膜厚为35微米、容易操作且厚度均匀的膜。在根据上述的工序得到的电解质体3的两面上，分别配置氧化剂极1和燃料极2，在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机热压接5分钟，由此便形成膜电极复合体。此外，燃料极、氧化剂极使用与实施例1同样的规格。
将上述的单元电池与实施例1同样地进行发电试验，已经确认可以得到与实施例1的单元电池一样的效果。本实施例6通过在树脂薄片上预先形成第2电解质层，并将其热压接在第1电解质膜层上，这样由于可以形成膜厚较薄的电解质层3B，因而可以得到更高的电池特性。
(实施例7)
使用图14就实施例7进行说明。此外，图14表示单元电池的制造工序的一部分。按照与实施例6同样的步骤，在聚四氟乙烯的薄片9上形成第2电解质层3B。在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机将上述第2电解质层3B在燃料极2上热压接3分钟，由此便制作出附着电解质层的燃料极。剥下附着在第2电解质层3B上的聚四氟乙烯的薄片，所得到的第2电解质层3B没有针孔、破裂等缺陷。
将膜厚为25微米的第1电解质层3A夹持在由上述工序得到的氧化剂极和燃料极之间，在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机热压接5分钟，由此便形成单元电池。将上述单元电池与实施例1同样地进行发电试验，结果已经确认：获得了与实施例1的单元电池一样的效果。本实施例7在树脂薄片上预先形成第2电解质层，并将其热压接在氧化剂极上，由此便可以制作出膜厚较薄的电解质层3B，因而可以得到更高的电池特性。
(实施例8)
使用图15就实施例8进行说明。此外，图15表示单元电池的制造工序的一部分。在氟系磺酸高分子树脂溶液10中，分散了作为具有催化作用的金属的铂黒，在形成于燃料极2的燃料极催化层2B上，涂布该氟系磺酸高分子树脂溶液10，之后进行干燥，以形成第2电解质层3B。铂黒和高分子电解质的混合重量比设定为10∶90。就电极电阻进行测量的结果，可以确认为0.3MΩ左右，第2电解质层3B全面覆盖着燃料极催化层2B。就形成的第2电解质层3B的膜厚进行了测量，结果为5微米左右。
图16为催化层2B和电解质层3B的界面的剖面示意图，由于这使第2电解质层3B和催化层2B贴合在一起，故而可以明确区分催化层2B和电解质层3B。
与此相对照，图17是催化层2B和电解质层3B不能明确区分时的剖面示意图，由于这使涂布的高分子电解质溶液的一部分浸渍在催化层2B中，故而电解质层3B可以形成为比图16更薄的膜。
将膜厚为25微米的第1电解质层3A夹持在由上述工序得到的氧化剂极和燃料极之间，在130℃、14kgf/cm2的条件下，用热压机热压接5分钟，由此便形成单元电池。将上述单元电池与实施例1同样地进行发电试验，结果已经确认：获得了与实施例1的单元电池一样的效果。本实施例8在燃料极的电极催化层上，涂布有分散着具有催化作用的金属催化剂的高分子电解质溶液，由此可以制作出形成超薄的第2电解质层的单元电池，从而可以得到更高的电池特性。
此外，从上述的实施例6到实施例7，示出了结构为在燃料极侧上形成第2电解质层的单元电池制造工序，但在制作于氧化剂极侧形成第2电解质层的单元电池、以及制造结构为在燃料极与氧化剂极的两者上形成第2电解质层的单元电池的情况下，也可以采用同样的制造工序。
本发明的燃料电池是在相向配置的燃料极和氧化剂极之间，配置具有离子传导性的电解质体，它可以适用于固定用、车载用、便携用等用途中。
根据本发明，可以提供一种燃料电池及燃料电池的制造方法，它可以有效地防止氧从氧化剂极向燃料极的透过，结果抑制了过氧化氢的生成，可以防止电解质体的退化，同时能够长期稳定地维持高的电池特性。

Claims (14)

1.一种固体高分子型燃料电池，其在相向配置的燃料极和氧化剂极之间配置着具有离子传导性的电解质体，其特征在于：所述电解质体由多个电解质层构成，其中与所述燃料极及所述氧化剂极之中的至少燃料极接触的电解质层是用于防止氧从所述氧化剂极向所述燃料极透过的层，并且在该层内含有催化剂。
2.一种固体高分子型燃料电池，其在相向配置的燃料极和氧化剂极之间配置着具有离子传导性的电解质体，其特征在于：所述电解质体由第1电解质层和第2电解质层2层构成，所述第2电解质层与所述燃料极接触，该第2电解质层是用于防止氧从所述氧化剂极向所述燃料极透过的层，并且在该层内含有催化剂。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于：与所述燃料极接触的所述电解质层或与所述燃料极接触的所述第2电解质层具有电绝缘性。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于：与所述燃料极接触的所述电解质层或与所述燃料极接触的所述第2电解质层含有亲水性和耐热性优良的材料。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于：与所述燃料极接触的所述电解质层内含有的催化剂或与所述燃料极接触的所述第2电解质层内含有的催化剂附载在碳材料上。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于：与所述燃料极接触的所述电解质层内含有的催化剂或与所述燃料极接触的所述第2电解质层内含有的催化剂附载在氧化物上。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于：与所述燃料极接触的所述电解质层内含有的催化剂或与所述燃料极接触的所述第2电解质层内含有的催化剂，是含有铂、钴、钯、金、铱、铑、钌之中的至少1种以上元素的金属催化剂。
8.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于：与所述燃料极接触的所述电解质层内含有的催化剂或与所述燃料极接触的所述第2电解质层内含有的催化剂为钴催化剂。
9.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于：与所述燃料极接触的所述电解质层内含有的催化剂或与所述燃料极接触的所述第2电解质层内含有的催化剂为铂-钴催化剂。
10.一种固体高分子型燃料电池的制造方法，所述燃料电池在相向配置的燃料极和氧化剂极之间配置着具有离子传导性的电解质体，所述电解质体由多个电解质层构成，其中与所述燃料极及所述氧化剂极之中的至少燃料极接触的电解质层是用于防止氧从所述氧化剂极向所述燃料极透过的电绝缘性层，并且在该层内含有催化剂，所述制造方法的特征在于：同时热压接所述燃料极、所述电解质体、所述氧化剂极而使之成为一体化结构。
11.一种固体高分子型燃料电池的制造方法，所述燃料电池在相向配置的燃料极和氧化剂极之间配置着具有离子传导性的电解质体，所述电解质体由第1电解质层和第2电解质层2层构成，所述第2电解质层与所述燃料极接触，该第2电解质层是用于防止氧从所述氧化剂极向所述燃料极透过的电绝缘性层，并且在该层内含有催化剂，所述制造方法的特征在于：同时热压接所述燃料极、所述电解质体、所述氧化剂极而使之成为一体化结构。
12.根据权利要求10或11所述的燃料电池的制造方法，其特征在于：将含有所述催化剂的与所述燃料极接触的所述电解质层、或者含有所述催化剂的与所述燃料极接触的所述第2电解质层在树脂薄片上预先成形，并将它热压接在含有所述催化剂的电解质层以外的电解质层上。
13.根据权利要求10或11所述的燃料电池的制造方法，其特征在于：将含有所述催化剂的所述电解质层、或者含有所述催化剂的所述第2电解质层在树脂薄片上预先成形，并将它热压接在所述燃料极及所述氧化剂极之中的至少燃料极上。
14.根据权利要求10或11所述的燃料电池的制造方法，其特征在于：含有所述催化剂的电解质层、或者含有所述催化剂的所述第2电解质层，是在所述燃料极及氧化剂极之中的至少燃料极所具有的电极催化剂层上，或者至少在含有所述催化剂的电解质层以外的电解质层、且与所述燃料极接触的侧面上，涂布含有催化剂的高分子电解质溶液而形成的。
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