[发明专利]电极催化剂层、膜-电极接合体以及电极催化剂层的制造方法

说明书

本发明提供在低加湿条件下和高加湿条件下发电性能可以大幅改善的电极催化剂层、包含该电极催化剂层的膜‑电极接合体以及该电极催化剂层的制造方法。本实施方式的电极催化剂层具有作为催化剂的铂粒子，并且进一步含有碳粒子、纤维状物质以及高分子电解质，该电极催化剂层为单层，在将电极催化剂层的厚度D与电极催化剂层的铂负载量W的比设为D/W、将碳粒子相对于电极催化剂层的质量的质量比设为C、将纤维状物质相对于电极催化剂层的质量的质量比设为F的情况下，满足下述(1)式：6.0(C+F)·(D/W)≥1.0[cm³/g]···(1)。

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池用的电极催化剂层、包含该电极催化剂层的膜-电极接合体以及该电极催化剂层的制造方法。

背景技术

近年来，为了解决地球变暖等环境问题，要求开发出可以削减CO₂的新型动力源。作为该动力源，不排放CO₂的燃料电池备受关注。在燃料电池中，使用氧化剂(例如氧气)将燃料(例如氢气)氧化以生成无害的水。燃料电池将通过生成水而得到的化学能转换为电能，从而作为动力源或电源使用。

燃料电池是根据电解质的种类进行分类的，所以与工作温度有很大关系，并根据搭载物工作的温度范围来分别使用合适的燃料电池。在燃料电池中，固体高分子型燃料电池(PEFC)由于其低温工作、高输出功率密度，并且可以实现小型化和轻量化，因此被开发作为家庭用电源、车载用动力源。

固体高分子型燃料电池(PEFC)具备将高分子电解质膜夹在燃料电极(阳极)与空气电极(阴极)之间而成的构造体(膜-电极接合体)，并且将作为燃料气体的氢气供给到燃料电极侧、将含有氧气的空气气体供给到空气电极侧，并根据下述电化学反应进行发电。

阳极：H₂→2H⁺+2e^-···(反应1)

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O···(反应2)

阳极与阴极均由电极催化剂层和气体扩散层的层叠结构构成。固体高分子型燃料电池(PEFC)中，通过电极催化剂，由供给到阳极侧电极催化剂层的氢气生成质子与电子(反应1)。质子经由阳极侧电极催化剂层内的高分子电解质、高分子电解质膜而移动到阴极。电子经由外部回路而移动到阴极。在阴极侧电极催化剂层中，质子、电子、以及从外部供给来的空气中所包含的氧气发生反应而生成水(反应2)。

为了实现燃料电池的低成本化，正在致力于开发表现出高输出特性的燃料电池。然而，由于高输出运转而导致过剩地生成了水，产生了妨碍向电极催化剂层和气体扩散层供给气体的现象(溢流，flooding)，从而存在发电性能降低的问题。

为了解决上述课题，在专利文献1、2中提出：电极催化剂层不仅含有负载有铂的碳，而且还含有碳纤维。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-241703号公报

专利文献2：日本专利第5537178号公报

发明内容

[本发明要解决的课题]

根据专利文献1、2，据推测：通过在电极催化剂层中含有碳纤维，在电极催化剂层中产生空隙，进而提高排水性。然而，专利文献1、2虽然对于碳纤维的构造和含量进行了明确的记载，但是对于表现出高发电性能的电极催化剂层的构造并不是明确的。

本发明是鉴于上述这样的实情而完成的，其目的在于提供一种在低加湿条件下和高加湿条件下发电性能能够大幅改善的电极催化剂层、包含该电极催化剂层的膜-电极接合体以及该电极催化剂层的制造方法。

[解决课题的手段]