[发明专利]燃料电池用电极催化剂层和使用了其的固体高分子型燃料电池

说明书

本发明的课题在于提供能够有效地防止高电流密度区域中的电池电压降低的燃料电池用电极催化剂层。本发明的燃料电池用电极催化剂层包含：在由导电性无机氧化物形成的载体上负载有催化剂而成的催化剂负载载体；和亲水性材料。所述亲水性材料为具有导电性的亲水性粒子的聚集体。所述催化剂层中的所述亲水性材料的含量相对于所述载体和所述亲水性材料的合计为2质量％以上且不到20质量％。所述亲水性粒子的粒径d1相对于所述催化剂负载载体的粒径D的比率为0.5以上且3.0以下。所述亲水性材料的粒径d2相对于所述催化剂层的厚度T的比率为0.1以上且1.2以下。

技术领域

本发明涉及燃料电池用电极催化剂层和使用了其的固体高分子型燃料电池。

背景技术

固体高分子型燃料电池具有下述的结构：在固体高分子电解质膜的各面上配置了催化剂层、在该催化剂层的外侧配置了气体扩散层。催化剂层一般来说为由在载体粒子的表面上负载有贵金属催化剂而成的催化剂负载载体构成的多孔层。在该多孔层内，氢、甲醇等燃料气体、或者氧、空气等氧化剂流通，在三相界面发生电极反应。反应的结果是，在催化剂层内生成水。

生成的水从催化剂层散逸。但是，有时在催化剂层内发生水蓄积，如果其发展，则催化剂层变得不再充分地收容水，发生所谓的溢流现象。特别地，在使用了导电性的金属氧化物作为催化剂的载体的情况下，由于其表面是比较亲水性的，因此容易发生溢流现象。据认为溢流现象成为电池电压降低的一个原因。

在专利文献1中，以防止催化剂载体粉体的水润湿为目的，提出了使憎水性表面保护物质吸附于由金属氧化物等无机材质形成的催化剂载体的表面、进而使催化剂物质负载而得到的催化剂负载粉体。另外，在专利文献2中，提出了使用催化剂层，所述催化剂层包含：将催化剂负载于由无机氧化物形成的载体而成的催化剂负载载体；和疏水度比该无机氧化物的疏水度高的高疏水性物质。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-099486号公报

专利文献2：US2017/141407A1

发明内容

即使在如专利文献1和2那样使用了疏水性材料的情况下，特别是在以高电流密度使燃料电池运转的情况下由于生成的水变为大量，因此有时难以在催化剂层内充分地确保用于将生成的水排出的通道(以下也称为“排出通路”)，存在着发生溢流现象的课题。

因此，本发明的课题在于提供通过防止溢流现象的发生从而可有效地防止电池电压降低的燃料电池用电极催化剂层。

本发明提供一种燃料电池用电极催化剂层，该燃料电池用电极催化剂层包含：在由导电性无机氧化物形成的载体上负载有催化剂而成的催化剂负载载体；和亲水性材料，其中，所述亲水性材料为具有导电性的亲水性粒子的聚集体，所述催化剂层中的所述亲水性材料的含量相对于所述载体和所述亲水性材料的合计为2质量％以上且不到20质量％，所述亲水性粒子的粒径d1相对于所述催化剂负载载体的粒径D的比率为0.5以上且3.0以下，所述亲水性材料的粒径d2相对于所述催化剂层的厚度T的比率为0.1以上且1.2以下。

具体实施方式

本发明的燃料电池用电极催化剂层包含将催化剂负载于载体而成的催化剂负载载体。载体由无机氧化物粒子形成。作为无机氧化物，能够使用例如金属氧化物、非金属氧化物或半金属氧化物。从提高催化剂层的导电性的观点出发，无机氧化物具有导电性是有利的。无机氧化物优选具有例如100kΩcm以下的体积电阻率。体积电阻率使用例如压粉电阻测定系统(三菱化学分析公司PD-51)和电阻率测定器(三菱化学分析公司MCP-T610)来测定。具体地说，将1g试样投入探针圆筒，将探针单元设置于PD-51。采用油压千斤顶施加57.3MPa的载荷来制作直径为20mm的圆筒状粒料。所得到的粒料的电阻值通过使用MCP-T610来测定。