[发明专利]燃料电池用催化剂层、膜电极接合体及燃料电池

说明书

本发明在催化剂层整体中得到良好的气体扩散性，并且抑制催化剂颗粒的粗大化。燃料电池用催化剂层具备纤维状导电构件和催化剂颗粒。纤维状导电构件相对于催化剂层的面方向倾斜，且纤维状导电构件的长度(L)与催化剂层的厚度(T)满足关系式：L/T≤3。催化剂颗粒具备核部和壳部，所述壳部覆盖核部并且包含与核部不同的成分。

技术领域

本公开涉及膜电极接合体和燃料电池。

背景技术

燃料电池具备膜电极接合体，该膜电极接合体具有电解质膜及夹着该电解质膜的一对电极。一对电极分别从电解质膜侧依次具备催化剂层和气体扩散层。

在专利文献1中，提出了如下方案：使用导电性纳米柱状体(以下，简称为柱状体。)和包含催化剂的催化剂层，使埋入防止层介于催化剂层与电解质膜之间，所述导电性纳米柱状体在相对于催化剂层(电解质膜)的面方向大致垂直的方向取向，所述催化剂层担载于柱状体。

催化剂层通过化学气相生长法在基板上形成在与该面方向大致垂直的方向上取向的柱状体，通过将基板上的柱状体转印到电解质膜上而形成。埋入防止层是为了抑制伴随着上述转印而柱状体端部埋入电解质膜而导致的催化剂的利用率降低而设置的。

另外，专利文献1公开了一种具有导电性的片材(下同)状的多孔质基材(以下，简称为基材。)的催化剂层侧的表面形成有包含导电性材料和防水性树脂的防水层的气体扩散层、在基材的催化剂层侧浸渍有防水性树脂的气体扩散层。专利文献1公开了碳纸、碳布等基材、厚度50μm以上的基材。

另一方面，在专利文献2中，提出了如下方案：与专利文献1同样地使用导电性纳米柱状体和担载于柱状体的催化剂，柱状体相对于电解质膜的面方向以60°以下的倾斜取向，柱状体的一端埋设于电解质膜。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2013/065396号

专利文献2：日本特开2007-257886号公报

发明内容

在制作膜电极接合体、单电池或多个单电池的层叠体(电池堆)时，有时对膜电极接合体施加其厚度方向的外力。专利文献1的柱状体在相对于催化剂层(电解质膜)的面方向大致垂直的方向上取向，并且其两端部分别与电解质膜和气体扩散层接触。因此，若施加厚度方向的外力，则应力集中于柱状体的两端部，会产生柱状体弯曲、或者其端部刺破(下同)电解质膜或气体扩散层这样的不良情况。若产生这样的不良情况，则在催化剂层内形成的空隙(气体路径)产生偏差，在催化剂层的一部分气体扩散性降低。专利文献2的柱状体是相对于电解质膜的面方向倾斜地取向，电解质膜侧的一端埋设在电解质膜中的结构。与上述同样地，若施加柱状体的厚度方向的外力，则附加于柱状体的应力直接附加于电解质膜，导致电解质膜的破损。而且，柱状体在倾斜方向上取向，因此应力集中于柱状体的侧表面部，导致柱状体的弯曲。若产生这样的弯曲，则与相邻的柱状体之间的距离缩小，因此产生气体路径的偏差，导致气体扩散性的降低。

催化剂颗粒担载于柱状体的凹凸少的表面，因此在发电时催化剂颗粒在柱状体表面移动，多个催化剂颗粒彼此凝聚，催化剂颗粒能够粗大化。随着催化剂颗粒的粗大化，催化剂颗粒尺寸的偏差增大时，催化剂层内的气体扩散性降低，电流局部地集中，由于与其相伴的发热，有时电解质膜劣化。另外，催化剂颗粒粗大化时，催化剂颗粒表面的质子传导性树脂的包覆状态发生变化，有时质子传导电阻增大。

另外，专利文献1的气体扩散层由于包含上述基材，因此柔软性低。上述的气体扩散层难以追随上述催化剂层的表面，催化剂层与气体扩散层的密合性低。催化剂层与气体扩散层的低密合性对从气体扩散层向催化剂层的反应气体的供给及从催化剂层向气体扩散层的生成水的排出产生影响。