[发明专利]燃料电池用阳极催化剂层和使用该催化剂层的燃料电池

说明书

本发明的燃料电池用阳极催化剂层包含电极催化剂粒子、担载有所述电极催化剂粒子的碳载体、水电解催化剂粒子、质子传导性粘合剂和石墨化碳，至少部分碳载体的微晶尺寸La为3.0nm以上。

技术领域

本发明涉及燃料电池用阳极催化剂层和使用该催化剂层的燃料电池。

背景技术

燃料电池的发电效率高，易于小型化且对环境的不良影响小，因此期待其在个人计算机、移动电话等便携设备、汽车、铁路等的车辆等各种领域利用。

图3表示燃料电池的构成例。燃料电池(200)具备膜电极接合体(100)、阳极侧气体流路(21)、阳极侧气体扩散层(22)、阳极侧隔膜(23)、阴极侧气体流路(31)、阴极侧气体扩散层(32)和阴极侧隔膜(33)作为单电池。膜电极接合体(100)具有由阳极催化剂层(20)和阴极催化剂层(30)夹着具有质子传导性的电解质膜(10)的结构。在阳极侧供给氢，在阴极侧供给氧。于是，在阴极催化剂层发生氧的还原反应(A)，在阳极催化剂层(20)发生氢的氧化反应(B)，通过两反应的标准氧化还原电位E₀之差来发电。

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(E₀＝1.23V) (A)

H₂→2H⁺+2e^-(E₀＝0V) (B)

催化剂层包含电极催化剂粒子、担载电极催化剂粒子的载体和质子传导性粘合剂。一般而言，作为燃料电池的电极催化剂粒子用的载体使用碳载体，并且作为电极催化剂粒子使用铂或铂合金。作为质子传导性粘合剂，通常使用离聚物。

阳极催化剂层中，已知在氢向阳极侧的供给由于输出的急剧变动而延迟、和/或氢向阳极侧的供给由于某种原因而停止等情况下，催化剂层中缺乏氢。如果在该情况下使电池继续工作，则为了弥补质子(H⁺)的不足，发生水电解反应(C)，或催化剂层中的碳载体与水反应，与一氧化碳或二氧化碳一同生成质子和电子的反应(D)，或者发生这两者的反应。

2H₂O→O₂+4H⁺+4e^- (C)

C+nH₂O→CO_n+2nH⁺+2ne^-(n＝1或2) (D)

反应(D)中，催化剂层中的碳载体反应而消失，因此如果在阳极催化剂层缺乏氢的状态持续，则催化剂层劣化。特别是如果水电解反应(C)的反应过电压变高，其反应效率降低，则变得容易发生反应(D)，碳载体的消失容易推进。

作为其对策，已知使阳极催化剂层含有氧化铱等的水电解催化剂粒子(例如专利文献1～3)。通过使用这样的水电解催化剂粒子，阳极催化剂层中的水在不与碳载体反应的情况下电解。并且，电解了的水能够供给质子和电子，持续进行电池的工作。在现有技术中，通过使用这样的水电解催化剂粒子，来防止碳载体的消失。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2008-41411号公报

专利文献2：日本特开2009-152143号公报

专利文献3：日本特开2010-277995号公报

发明内容

但是，根据本发明人的研究得知，现有技术中的阳极催化剂层，即使使用水电解催化剂粒子，也会由于氢缺乏状态长时间持续而劣化。因此，本发明的目的是提供即使氢缺乏状态长时间持续也难以劣化的阳极催化剂层和使用该阳极催化剂层的燃料电池。

本发明人发现，通过具有以下方式的本发明能够解决上述课题。