[发明专利]电极催化剂层、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池

说明书

本发明提供具有充分的排水性和气体扩散性，并且能够长期地发挥高发电性能的电极催化剂层、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池。接合在高分子电解质膜(11)的表面上的电极催化剂层(10)至少含有催化剂物质(12)、导电性载体(13)、高分子电解质(14)以及纤维状物质(15)，在纤维状物质(15)当中，相对于与高分子电解质膜(11)的表面接合的电极催化剂层(10)的表面，轴的倾斜度θ为0°≤θ45°的纤维状物质(15)的数量大于所含有的全部纤维状物质(15)的数量的50％。

技术领域

本发明涉及电极催化剂层、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池。

背景技术

燃料电池是由氢气和氧气的化学反应而产生电的发电体系。与传统的发电方式相比，燃料电池具有高效率、低环境负荷、低噪音的特征，作为将来的清洁能源而备受关注。特别地，可以在室温附近下使用的固体高分子型燃料电池有望用于车载用电源或家庭用固定电源等，近年来，进行了关于固体高分子型燃料电池的各种研究开发。面向其实用化的课题可以列举出：提高发电特性和耐久性等电池性能、基础设施的改善、降低制造成本等。

固体高分子型燃料电池一般由多个单电池层叠而构成。单电池具有将膜电极接合体用具有气体流路和冷却水流路的隔板夹持而得的构造，其中所述膜电极接合体是供给燃料气体的燃料电极(阳极)与供给氧化剂的氧电极(阴极)接合在高分子电解质膜的两面而成的。燃料电极(阳极)与氧电极(阴极)主要由下述构成：至少含有铂族贵金属等催化剂物质、导电性载体以及高分子电解质的电极催化剂层，以及兼具气体通气性和导电性的气体扩散层。

在固体高分子型燃料电池中可以经过如下的电化学反应而产生电。首先，在燃料电极侧电极催化剂层中，燃料气体中含有的氢气被催化剂物质氧化，成为质子和电子。生成的质子经由电极催化剂层内的高分子电解质以及与电极催化剂层接触的高分子电解质膜，到达氧电极侧电极催化剂层中。另外，同时生成的电子经由电极催化剂层内的导电性载体、与电极催化剂层的跟高分子电解质膜不同的那一侧接触的气体扩散层、隔板以及外部回路而到达氧电极侧电极催化剂层中。然后，在氧电极侧电极催化剂层中，质子和电子与氧化剂气体中含有的氧气发生反应，生成水。

气体扩散层具有使从隔板供给的气体扩散并供给到电极催化剂层中的作用。然后，电极催化剂层中的细孔位于从隔板穿过气体扩散层的前端的位置处，发挥着输送多种物质的通路的作用。燃料电极的细孔要求具有将燃料气体顺利地供给到作为氧化还原反应场所的三相界面处的功能。另外，氧电极的细孔要求具有顺利地供给氧化剂气体的功能。这里，为了顺利地供给气体，重要的是，电极催化剂层中的细孔具有间隙，而不成为紧密分布。

作为控制使得电极催化剂层中的细孔分布不紧密的手段，例如，提出了含有不同粒径的碳或碳纤维的电极催化剂层(专利文献1、2)

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5537178号公报

发明内容

[本发明要解决的课题]

在专利文献1中，通过组合不同粒径的碳粒子，从而抑制电极催化剂层中的细孔被紧密地填充。另外，在专利文献2中，通过组合不同纤维长度的碳纤维，从而抑制电极催化剂层中的细孔被紧密地填充。但是，在这些方法中，虽然电极催化剂层中的细孔难以变得紧密，但是没有考虑到电极催化剂层中的细孔的形状。

也就是说，本发明是着眼于上述方面而完成的，其目的在于提供能够提高电极催化剂层中的气体扩散性，并且能够长期地发挥高发电性能的电极催化剂层、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池。

[解决课题的手段]