[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

一种电极催化剂层，含有：催化剂物质、负载催化剂物质的导电性载体、高分子电解质、以及纤维状物质。在电极催化剂层中形成有具有三维网状的流路。流路包含多个端点和多个分枝，各分枝为将多个端点当中的一对端点连接起来的1个长孔。多个分枝包含分杈枝，分杈枝的一对端点当中的一个与其他分枝连接。在电极催化剂层中，由3.9μm×3.9μm×4.4μm规定的单位体积中所包含的所述分枝的数量为8500个以上13000个以下。

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

燃料电池利用氢与氧的化学反应而生成电流。与传统的发电方式相比，燃料电池是高效率的、低环境负荷且低噪音的，作为清洁能源而备受关注。特别地，可以在室温附近使用的固体高分子型燃料电池有望应用于车载用电源或家庭用固定电源等。

固体高分子型燃料电池(PEFC)具有将高分子电解质膜夹在燃料电极(阳极)与空气电极(阴极)之间的结构。阳极和阴极均具有由电极催化剂层和气体扩散层层叠而成的结构。在固体高分子型燃料电池中，将含有氢气的燃料气体供给到燃料电极、并且将含有氧气的氧化剂气体供给到空气电极，从而根据下述电化学反应进行发电。需要说明的是，在下述的反应式当中，式(1)为表示燃料电极处的反应的反应式、式(2)为表示空气电极处的反应的反应式。

H₂→2H⁺+2e^-···式(1)

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O···式(2)

阳极侧电极催化剂层促进由供给到阳极侧电极催化剂层的燃料气体生成质子和电子的反应(式(1))。质子经由阳极侧电极催化剂层内的高分子电解质和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。在阴极侧电极催化剂层中，质子、电子以及氧化剂气体发生反应而生成水(式(2))。

为了提高固体高分子型燃料电池的发电性能，重要的是提高燃料气体和氧化剂气体等气体的扩散性。作为提高气体扩散性的技术，提出了以下方案：使用平均粒径彼此不同的2种碳粒子来形成电极催化剂层(例如，参照专利文献1)；或者使用纤维状碳作为负载催化剂的载体(例如，专利文献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4037814号公报

发明内容

本发明要解决的课题

但是，为了减少燃料电池所需要的成本，需要可以以高输出功率运转的燃料电池。然而，在高输出功率的运转中，在空气电极的电极催化剂层中会产生大量的生成水。因此，在空气电极侧的电极催化剂层和气体扩散层中会产生生成水溢出的现象即溢流，因此会妨碍对空气电极侧的电极催化剂层的气体供给。结果，固体高分子型燃料电池的发电性能降低。

本发明的目的在于提供可以抑制电极催化剂层中的溢流从而提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。

用于解决课题的手段

用于解决上述课题的电极催化剂层在固体高分子型燃料电池中以与固体高分子电解质膜接合的方式构成。电极催化剂层含有催化剂物质、负载所述催化剂物质的导电性载体、高分子电解质、以及纤维状物质。在所述电极催化剂层中形成有具有三维网状的流路。所述流路包含多个端点和多个分枝，各分枝为连接所述多个端点当中的一对端点的1个长孔，所述多个分枝包含分杈枝，所述分杈枝的所述一对端点当中的一个与其他分枝连接。在所述电极催化剂层中，由3.9μm×3.9μm×4.4μm规定的单位体积中所包含的所述分枝的数量为8500个以上13000个以下。