[发明专利]电极催化剂层及固体高分子型燃料电池

说明书

本发明提供能够提高排水性和气体扩散性，并且能够实现高输出功率的固体高分子型燃料电池用的电极催化剂层以及具备该电极催化剂层的固体高分子型燃料电池。本实施方式涉及的电极催化剂层(2、3)与高分子电解质膜(1)接合，具有催化剂(13)、碳粒子(14)、高分子电解质(15)以及纤维状物质(16)，且密度为500mg/cm³以上900mg/cm³以下，或者，密度为400mg/cm³以上1000mg/cm³以下，且相对于碳粒子(14)和纤维状物质(16)的合计质量，高分子电解质(15)的质量在10质量％以上200质量％以下的范围内。

技术领域

本发明涉及构成固体高分子型燃料电池用的膜电极接合体的电极催化剂层以及具备该电极催化剂层的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。

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由燃料电极(阳极)和空气电极(阴极)构成的一对电极之间而成的膜电极接合体，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)

阳极和阴极均由电极催化剂层和气体扩散层的层叠结构构成。通过电极催化剂，供给到阳极侧电极催化剂层的燃料气体生成质子与电子(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。在阴极侧的电极催化剂层中，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，期望使用表现出高输出特性的燃料电池。然而，由于燃料电池在高输出运行过程中会产生很多的生成水，因而产生水会溢出电极催化剂层和气体扩散层而妨碍气体供给的溢流(flooding)。在产生了溢流的情况下，存在燃料电池的输出功率显著降低的问题。

针对上述课题，专利文献1、2提出了含有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

专利文献1、2中记载了：通过含有不同的碳材料，在电极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，虽然有关于碳材料的大小、形状和含量的记载，但是没有关于催化剂层的结构的记载，也没有具体地验证其效果。

本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供能够提高排水性和气体扩散性，并且能够实现高输出功率的固体高分子型燃料电池用的电极催化剂层以及具备该电极催化剂层的固体高分子型燃料电池。

用于解决课题的手段