[发明专利]固体高分子型燃料电池用催化剂层、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池

说明书

本发明提供在提高排水性和气体扩散性的同时抑制催化剂层的裂纹、提高催化剂的利用效率、提高高输出功率下的能量转换效率、并且耐久性良好的固体高分子型燃料电池用催化剂层、膜电极接合体、以及固体高分子型燃料电池。本实施方式的固体高分子型燃料电池用催化剂层包含催化剂(21)、碳粒子(22)、高分子电解质(23)、以及纤维状物质(24)，碳粒子(22)负载着催化剂(21)，具有空隙(25)，在与固体高分子型燃料电池用催化剂层的表面垂直的厚度方向上的剖面中所观察到的空隙(25)当中，截面积为10000nm²以上的空隙(25)的频率所占的比例为13％以上20％以下。

技术领域

本发明涉及高分子型燃料电池用催化剂层、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池。

背景技术

近年来，燃料电池作为环境问题和能源问题的有效解决方式而备受关注。燃料电池是指利用氧气等氧化剂将氢气等燃料氧化，并将伴随着的化学能转换为电能的电池。

燃料电池根据电解质的种类可以分为碱性型、磷酸型、高分子型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型等。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，因而被期望应用于便携式电源、家庭用电源、车载用动力源。

固体高分子型燃料电池(PEFC)具备将作为电解质膜的高分子电解质膜夹在燃料电极(阳极)和空气电极(阴极)之间的结构，并且将含有氢气的燃料气体供给到燃料电极侧、将含有氧气的氧化剂气体供给到空气电极侧，从而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)。

阳极和阴极均由催化剂层和气体扩散层的层叠结构构成。通过电极催化剂，供给到阳极催化剂层的燃料气体生成质子和电子(反应1)。质子经由阳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。在阴极催化剂层中，质子、电子、以及由外部供给来的氧化剂气体发生反应而生成水(反应2)。由此，电子经由外部回路而进行发电。

现在，为了实现燃料电池的低成本化，期望表现出高输出特性的燃料电池。但是，在高功率运转中会产生大量的生成水，因此会产生溢流，即水溢出到催化剂层或气体扩散层、从而阻碍气体的供给。由此，在现有技术的燃料电池中，存在着有时候燃料电池的输出功率显著降低的问题。

针对上述问题，专利文献1、2提出了包含不同粒径的碳或碳纤维的催化剂层。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3617237号公报

专利文献2：日本专利第4037814号公报

发明内容

本发明要解决的课题

在专利文献1中，通过包含不同的碳材料，在催化剂层内产生空孔，从而有望提高排水性和气体扩散性。但是，在碳材料仅为粒子的情况下，存在容易引发催化剂层的裂纹、以及伴随着的耐久性降低的问题。

另外，在专利文献2中，除了负载催化剂的碳以外还添加了纤维状碳，因此有望在抑制催化剂层的裂纹的同时实现高发电效率。但是，燃料电池的发电性能根据细孔的大小和细孔的分布发生很大的变化，归根结底，从提高发电性能的观点来看，使用碳纤维的组合的方法依然有改进的余地。