[发明专利]电极、膜电极接合体、电化学电池、堆、燃料电池、车辆和飞行物

说明书

本发明提供电极、膜电极接合体、电化学电池、堆、燃料电池、车辆和飞行物。实施方式提供如下的电极、膜电极接合体、电化学电池、堆、燃料电池、车辆和飞行物：由于使使用了具有多孔体结构的层叠贵金属催化剂的燃料电池的对于运转环境温湿度的鲁棒性提高，因此确保充分的气体扩散性，同时使耐水淹性提高。实施方式的电极具有：具有空孔的催化剂层，空孔的众数直径为10μm以上且100μm以下。

关联申请的引用

本申请以日本专利申请2017-181751(申请日：2017年9月21日)为基础，由该申请享受优先权。本申请通过参照该申请，从而包含该申请的全部内容。

技术领域

实施方式涉及电极、膜电极接合体、电化学电池、堆、燃料电池、车辆和飞行物。

背景技术

固体高分子型燃料电池(PEFC：Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)是如下的装置：通过使用质子传导性的高分子电解质膜，在该电解质膜的两侧中，使向阳极侧所供给的燃料即氢与向阴极侧所供给的氧化剂即氧(或空气)电化学地反应，从而使其发电。与其他的燃料电池相比，可在100℃以下的低温下工作。进而，由于PEFC的反应生成物为水，对环境的负荷小，因此作为家庭用定置电源、燃料电池汽车(FCV)，实用化迫在眉睫。但是，对于真正普及而言，需要大幅度削减各电极的催化剂层中所含的贵金属催化剂的量。

在PEFC的催化剂层中，一般地，使用了使贵金属催化剂材料负载于炭黑载体而成的碳负载催化剂。例如，作为FCV使用的情况下，由于起动和停止，催化剂层中所含的碳载体腐蚀，由此促进贵金属催化剂层、进而膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)的劣化。因此，高耐久性且具有高反应面积的贵金属催化剂层的开发对于大幅度削减贵金属催化剂使用量是不可缺少的。开发通过溅射或蒸镀形成的无碳催化剂层，能够避免载体的腐蚀引起的劣化。而且，意图形成包含造孔材料和贵金属催化剂材料的催化剂层前体，然后将造孔材料除去而制作具有含有空孔的层叠贵金属催化剂结构的催化剂层，实现具有高反应面积的催化剂。但是，使用同样的催化剂量，该结构的厚度为以往的炭黑负载贵金属催化剂的厚度的1/10～1/100，容易受到水的影响。因此，由于发电环境，有时电池的电动势降低，必须提高催化剂的鲁棒性(ロバスト性)。

固体电解质膜的质子传导率因膜内的水分而变化，如果水分量少，则质子的传导率降低。即，为了获得高的电池特性，认为使电解质膜含水至饱和状态或接近饱和的状态是重要的。另一方面，如果在阴极侧生成的水滞留，催化剂层被水埋没，则由于阻碍氧化气体的扩散的水淹，发电性能降低。因此，在燃料电池中，水的管理非常重要，必须兼顾水的排出和电解质膜的保湿。

以往，作为PEFC的气体扩散层(GDL:Gas Diffusion Layer)，使用了在将高温下石墨化的碳纸、碳纤维编织制作的碳布用氟树脂进行了防水化处理的导电性多孔片涂布氟树脂和炭黑粒子的混合墨而作成的防水微多孔层(MPL:Micro Porous Layer)等。但是，由于该防水MPL，通过电池反应产生的生成水的一部分受到防水作用而被推回到催化剂侧，引起水淹，妨碍电池反应，成为使电动势降低的主要因素。

以防止在燃料电池的水分管理层(防水MPL)的表面形成水的膜为目的，已知在燃料电池的氧化极(阴极)中，在水分管理层与催化剂层之间配置中间层，该中间层具有防水剂和亲水剂，在防水性材料的浓度从水分管理层侧向催化剂层变小的防水剂浓度上设置梯度。

另外，也已知如下的燃料电池：通过在气体扩散层上形成由吸水性核和防水性多孔壳构成的具有核-壳结构的粉体构成的MPL，从而避免MPL内的液体水产生的水淹，具有高的鲁棒性。