[發明專利]固體高分子型燃料電池用催化劑層、膜電極接合體以及固體高分子型燃料電池

在審

• 申請號: 202080019922.0
• 申請日: 2020-03-23
• 公開（公告）號: CN113557618A
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 小山浩晃;小澤麻都香
• 申請（專利權）人: 凸版印刷株式會社
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M8/0273;H01M8/10
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 常海濤;金小芳

本發明提供在提高排水性和氣體擴散性的同時抑制催化劑層的裂紋、提高催化劑的利用效率、提高高輸出功率下的能量轉換效率、并且耐久性良好的固體高分子型燃料電池用催化劑層、膜電極接合體、以及固體高分子型燃料電池。本實施方式的固體高分子型燃料電池用催化劑層包含催化劑(21)、碳粒子(22)、高分子電解質(23)、以及纖維狀物質(24)，碳粒子(22)負載著催化劑(21)，具有空隙(25)，在與固體高分子型燃料電池用催化劑層的表面垂直的厚度方向上的剖面中所觀察到的空隙(25)當中，截面積為10000nm²以上的空隙(25)的頻率所占的比例為13％以上20％以下。

技術領域

本發明涉及高分子型燃料電池用催化劑層、膜電極接合體以及固體高分子型燃料電池。

背景技術

近年來，燃料電池作為環境問題和能源問題的有效解決方式而備受關注。燃料電池是指利用氧氣等氧化劑將氫氣等燃料氧化，并將伴隨著的化學能轉換為電能的電池。

燃料電池根據電解質的種類可以分為堿性型、磷酸型、高分子型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型等。固體高分子型燃料電池(PEFC)由于其低溫工作、高輸出功率密度，并且可以實現小型化和輕量化，因而被期望應用于便攜式電源、家庭用電源、車載用動力源。

固體高分子型燃料電池(PEFC)具備將作為電解質膜的高分子電解質膜夾在燃料電極(陽極)和空氣電極(陰極)之間的結構，并且將含有氫氣的燃料氣體供給到燃料電極側、將含有氧氣的氧化劑氣體供給到空氣電極側，從而根據下述電化學反應進行發電，

陽極：H₂→2H⁺+2e^-···(反應1)

陰極：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O···(反應2)。

陽極和陰極均由催化劑層和氣體擴散層的層疊結構構成。通過電極催化劑，供給到陽極催化劑層的燃料氣體生成質子和電子(反應1)。質子經由陽極催化劑層內的高分子電解質、高分子電解質膜而移動到陰極。電子經由外部回路而移動到陰極。在陰極催化劑層中，質子、電子、以及由外部供給來的氧化劑氣體發生反應而生成水(反應2)。由此，電子經由外部回路而進行發電。

現在，為了實現燃料電池的低成本化，期望表現出高輸出特性的燃料電池。但是，在高功率運轉中會產生大量的生成水，因此會產生溢流，即水溢出到催化劑層或氣體擴散層、從而阻礙氣體的供給。由此，在現有技術的燃料電池中，存在著有時候燃料電池的輸出功率顯著降低的問題。

針對上述問題，專利文獻1、2提出了包含不同粒徑的碳或碳纖維的催化劑層。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利第3617237號公報

專利文獻2：日本專利第4037814號公報

發明內容

本發明要解決的課題

在專利文獻1中，通過包含不同的碳材料，在催化劑層內產生空孔，從而有望提高排水性和氣體擴散性。但是，在碳材料僅為粒子的情況下，存在容易引發催化劑層的裂紋、以及伴隨著的耐久性降低的問題。

另外，在專利文獻2中，除了負載催化劑的碳以外還添加了纖維狀碳，因此有望在抑制催化劑層的裂紋的同時實現高發電效率。但是，燃料電池的發電性能根據細孔的大小和細孔的分布發生很大的變化，歸根結底，從提高發電性能的觀點來看，使用碳纖維的組合的方法依然有改進的余地。