[发明专利]燃料电池用催化剂层及使用其的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，更具体而言，本发明涉及一种在装入燃料电池的膜电极接合体中使用的催化剂层。

背景技术

近年来，能量变换效率高、且通过发电反应不产生有害物质的燃料电池备受瞩目。作为这样的燃料电池之一，已知在100℃以下的低温工作的固体高分子型燃料电池。

固体高分子型燃料电池，具有将作为电解质膜的固体高分子膜配置在燃料电极和空气电极之间的基本结构，并向燃料电极供给含有氢气的燃料气体，向空气电极供给含有氧气的氧化剂气体，是通过以下的电化学反应进行发电的装置。

燃料电极：H₂→2H⁺+2e^-          (1)

空气电极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O   (2)

阳极和阴极，分别由层叠催化剂层和气体扩散层得到的结构构成。各电极的催化剂层夹持固体高分子膜对向配置，构成燃料电池。催化剂层，为担载催化剂的碳粒子通过离子交换树脂粘结而成的层。气体扩散层，成为氧化剂气体或燃料气体的通过途径。

在阳极中，供给的燃料中含有的氢气如上述式(1)所示分解为氢离子和电子。其中氢离子在固体高分子电解质膜的内部向空气电极移动，电子通过外部回路向空气电极移动。另一方面，在阴极中，供给到阴极的氧化剂气体中含有的氧气，与从燃料电极移动过来的氢离子及电子进行反应，如上述式(2)所示生成水。这样，在外部回路电子从燃料电极向空气电极移动，从而发出电力。

发明内容

以往，一般的催化剂层为在碳载催化剂中混合Nafion等离子交换体的类型。以往的燃料电池中使用的催化剂层(Nafion混合类型)，其催化剂金属的利用率低。这是由于燃料气体和催化剂金属和离子交换体的三相界面没有有效形成的缘故。作为原因可以更具体列举：因催化剂金属中没有均匀混合Nafion等离子交换体，存在变厚的部分(离子交换体成块状的部分)，因此气体的扩散不好，存在质子传导通路被切断的部分。

本发明是鉴于这样的课题而作成的，其目的在于提供使燃料电池中使用的催化剂层的燃料气体扩散性和离子传导性提高的技术。

本发明的一种实施方式为燃料电池用的催化剂层。该燃料电池用的催化剂层，其特征在于，具备催化剂金属、和具有可吸附或结合在催化剂金属上的第1官能团及赋予离子传导性的第2官能团的离子交换体，其中，第1官能团吸附或结合于催化剂金属。

根据上述实施方式的燃料电池用催化剂层，由于催化剂金属与离子交换体之间的密合性提高且均匀附着在催化剂金属上，因此气体扩散性和离子传导性提高。

在上述实施方式的燃料电池用催化剂层中，第1官能团与催化剂金属的结合可以为化学键或基于静电相互作用的结合。作为化学键，可以列举共价键、配位键、离子键等。

在上述实施方式的燃料电池用催化剂层中，第1官能团选自由含有硫、氧、氮、磷、碳、硼、卤素原子的至少1种的官能团组成的群。

在上述实施方式的燃料电池用催化剂层中，离子交换体可以为直链状聚合物。根据该实施方式，以催化剂金属作为基点的质子传导通路延伸至更远，因此，可以更进一步使燃料电池用催化剂层的离子传导性提高。

另外，在上述实施方式的燃料电池用催化剂层中，离子交换体可以为树枝状支链型聚合物。由此，离子交换体形成树枝状结构，因此质子传导通路三维扩大。其结果邻接的离子交换体之间的接触增多，因此，可以更进一步使质子传导性提高。另外，此时还具备担载催化剂金属的碳材料，第2官能团可以与催化剂金属或碳材料相接。另外，第2官能团可以为磺酸基、磷酸基或者它们的组合。

本发明的另一个实施方式为燃料电池。该燃料电池，其特征在于，具备电解质膜、接合于电解质膜的一个面的阴极、以及接合于电解质膜的另一个面的阳极，阴极和/或阳极含有上述任意种实施方式的催化剂。

在上述实施方式的燃料电池中，可以层叠有种类不同的催化剂层。

附图说明

图1是示意地表示实施方式1涉及的燃料电池的结构的透视图。

图2是图1在A-A线上的剖面图。

图3是表示构成实施方式1涉及的阳极的催化剂层的结构的概念图。

图4是表示实施方式2涉及的燃料电池具有的催化剂层的结构的概念图。

图5是表示实施方式2涉及的燃料电池具有的催化剂层的结构的重要部位扩大图。

图6是表示实施方式3涉及的燃料电池具有的催化剂层的结构的概念图。