[发明专利]燃料电池电极催化剂层用浆液、电极催化剂层、膜电极组件及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及能够构成固体高分子型燃料电池的燃料电池电极催化剂层的燃料电池电极催化剂层用浆液（slurry），以及使用该浆液的电极催化剂层、膜电极组件及燃料电池。

背景技术

近几年来，作为环境问题和能源问题的有效解决对策，燃料电池一直受到关注。燃料电池是指，使用氧等氧化剂对氢等燃料进行氧化，并将伴随该氧化的化学能转换成电能。

燃料电池因电解质种类的不同而分为碱型、磷酸型、固体高分子型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型等。由于固体高分子型燃料电池（PEFC）在低温下工作，具有高输出密度，并能够实现小型化、轻量化，所以被期待用作便携式电源、家庭用电源、车辆用动力源。

固体高分子型燃料电池（PEFC）具有用燃料极（阳极）和空气电极（阴极）夹持电解质膜即高分子电解质膜的结构，通过向燃料极侧供给含有氢的燃料气体，向空气电极侧供给含有氧的氧化剂气体，从而利用下述的电化学反应进行发电。

阳极：H₂→2H⁺+2e^-                ···（1）

阴极：（1/2）O₂+2H⁺+2e^-→H₂O     ···（2）

供给到阳极侧的燃料气体通过电极催化剂变成质子和电子（反应1）。质子穿过阳极电极催化剂层内的高分子电解质、固体高分子电解质膜，移动至阴极。电子通过外部电路移动至阴极。在阴极，质子、电子和从外部供给的氧化剂气体发生反应，并生成水（反应2）。因此，上述电化学反应发生在质子（电解质）、电子（催化剂、载体）和反应气体的三相界面。

目前，面临燃料电池的低成本化，期待有一种即使在低增湿条件下也显示优良输出特性的燃料电池。但是，在低增湿条件下，电解质的含水量降低，质子传导降低。因此，质子无法到达三相界面，导致输出特性降低。为了提高质子传导性和保水性，而优选为，增加电极催化剂层内的电解质含量，但是，如果增加电解质含量，则妨碍反应气体的供给，并引起输出功率的降低。并且，在高增湿条件下，电解质的膨润会进一步妨碍气体的供给，并引起输出功率显著降低。

为了解决这些问题，提出了一种使电极催化剂层内的电解质含量在电解质膜一侧较多，而在气体供给侧较少的电极催化剂层，但是存在增加制造工序的问题（专利文献1）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-295341号公报

发明内容

本发明简便地提供燃料电池电极催化剂层，其能够在燃料电池电极中于低增湿及高增湿条件下都显示出优良的输出特性。

为了解决以上问题，本发明人等反复进行深入研究，结果获得以下发现：如果使用一种至少含有电解质、催化剂粒子以及溶剂，并且上述溶剂由两种以上组成且上述溶剂发生相分离的燃料电池电极催化剂层用浆液，则能够提供一种气体扩散性、保水性、质子传导都优良，并且在低增湿及高增湿条件下都能够显示优良输出特性的燃料电池，从而完成了本发明。

即，本申请第一项发明是一种电池电极催化剂层用浆液，其中至少含有电解质、催化剂粒子以及溶剂，所述浆液的特征在于，上述溶剂由两种以上组成，并且上述两种以上溶剂发生相分离。

其次，第二项发明的特征在于，在第一项发明记载的结构中，上述电解质和上述溶剂的混合溶液形成胶体。

接着，第三项发明的特征在于，在第一项发明记载的结构中，上述电解质和上述溶剂的混合溶液形成为乳状液（emulsion）。

然后，第四项发明的特征在于，在第一至第三项发明中的任一项所记载的结构中，上述溶剂由上述电解质的不良溶剂和上述电解质的良溶剂组成。

接着，第五项发明的特征在于，在第四项发明记载的结构中，上述良溶剂相对于上述不良溶剂的质量比在0.8以上至10以下的范围。

然后，第六项发明提供一种电极催化剂层，其特征在于，使用第一至第五项发明中任一项所记载的燃料电池电极催化剂层用浆液。

接着，第七项发明提供一种膜电极组件，其特征在于，使用第一至第五项发明中任一项所记载的燃料电池电极催化剂层用浆液。

然后，第八项发明提供一种燃料电池，其特征在于，使用第一至第五项发明中任一项所记载的燃料电池电极催化剂层用浆液。

第一项发明的燃料电池电极催化剂层用浆液发挥以下显著效果，即能够简便地制造气体扩散性、保水性、质子传导都优良，并且在低增湿及高增湿条件下都显示优良输出特性的燃料电池电极催化剂层。