燃料电池用催化剂层、膜电极接合体和燃料电池制造技术

一种燃料电池用催化剂层，其具备纤维状碳材料、催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂，且具备区域A和区域B，所述区域A至少包含聚集体状态的上述纤维状碳材料，所述区域B至少包含上述催化剂粒子、上述粒子状碳材料和上述质子传导性树脂，上述区域A以岛状配置于上述区域B。

Catalyst Layer, Membrane Electrode Junction and Fuel Cell for Fuel Cell

A catalyst layer for fuel cell is provided with fibrous carbon material, catalyst particles, particulate carbon material and proton conductive resin, as well as region A and region B, where region A contains at least the aforementioned fibrous carbon material in aggregate state, and region B contains at least the aforementioned catalyst particles, the aforementioned particulate carbon material and the aforementioned proton conductive resin. Areas B are arranged in the form of islands.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池用催化剂层、膜电极接合体和燃料电池
本专利技术涉及燃料电池用催化剂层、膜电极接合体和使用了它们的燃料电池，详细而言，涉及包含纤维状碳材料的催化剂层的改良。
技术介绍
燃料电池是通过燃料与氧化剂(以下分别简称为气体)的电化学反应而发电并生成水的高效率且清洁的发电装置。燃料电池例如具备：电解质膜、以夹持电解质膜的方式配置的两个催化剂层、以分别隔着各催化剂层而夹持电解质膜的方式配置的两个气体扩散层、以及以分别隔着各气体扩散层而夹持电解质膜的方式配置的两个间隔件。在气体扩散层中沿着面方向扩散的气体被催化剂层氧化或还原。若提高催化剂层中的气体扩散性，则该电化学反应的效率提高。为了提高催化剂层的气体扩散性，专利文献1教导了一种向催化剂层中配合碳纤维而提高空隙率的方法。此外，专利文献2也教导了向阳极催化剂层中配合碳纤维。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开平2-27661号公报专利文献2：日本特开2008-210580号公报
技术实现思路
专利技术要解决的问题通过提高催化剂层整体的空隙率，催化剂层中的气体扩散性提高。另一方面，催化剂层的强度降低。此外，在催化剂层的每单位面积的质量相同的情况下，若提高空隙率，则厚度变大。因此，电子或质子的移动距离变长，电阻变大。用于解决问题的方案本专利技术的一个方面涉及一种燃料电池用催化剂层，其具备：纤维状碳材料、催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂，且具备区域A和区域B，所述区域A至少包含聚集体状态的上述纤维状碳材料，所述区域B至少包含上述催化剂粒子、上述粒子状碳材料和上述质子传导性树脂，上述区域A以岛状配置于上述区域B。本专利技术的另一方面涉及一种燃料电池，其具备：电解质膜、以夹持上述电解质膜的方式配置的第一催化剂层和第二催化剂层、以分别隔着上述第一催化剂层和上述第二催化剂层而夹持上述电解质膜的方式配置的第一气体扩散层和第二气体扩散层、以及以分别隔着上述第一气体扩散层和上述第二气体扩散层而夹持上述电解质膜的方式配置的第一间隔件和第二间隔件，上述第一催化剂层和上述第二催化剂层中的至少一者为上述燃料电池用催化剂层。本专利技术的另一方面涉及一种膜电极接合体，其具有：具备第一主面和第二主面的催化剂层、配置于上述第一主面的气体扩散层、以及配置于上述第二主面的电解质膜，上述催化剂层具备纤维状碳材料、催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂，上述纤维状碳材料具备沿着上述第一主面进行取向的第一纤维状碳材料、以及沿着上述催化剂层的厚度方向进行取向的第二纤维状碳材料，将上述催化剂层的厚度记作T时，上述催化剂层的从上述第一主面至0.25T为止的第一区域中的上述第一纤维状碳材料的数量FF1相对于上述第二纤维状碳材料的数量SF1的比例R1即FF1/SF1、上述催化剂层的从上述第二主面至0.25T为止的第二区域中的上述第一纤维状碳材料的数量FF2相对于上述第二纤维状碳材料的数量SF2的比例R2即FF2/SF2、以及上述催化剂层的除了上述第一区域和上述第二区域之外的第三区域中的上述第一纤维状碳材料的数量FF3相对于上述第二纤维状碳材料的数量SF3的比例R3即FF3/SF3满足R3＜R1和R3＜R2中的至少一种关系。本专利技术的另一方面涉及一种燃料电池，其具备：电解质膜；以夹持上述电解质膜的方式配置的第一催化剂层和第二催化剂层；以分别隔着上述第一催化剂层和上述第二催化剂层而夹持上述电解质膜的方式配置的第一气体扩散层和第二气体扩散层；以及以分别隔着上述第一气体扩散层和上述第二气体扩散层而夹持上述电解质膜的方式配置的第一间隔件和第二间隔件，上述第一催化剂层具备纤维状碳材料、催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂，上述纤维状碳材料具备沿着上述第一催化剂层的与上述第一气体扩散层相对的第一主面进行取向的第一纤维状碳材料、以及沿着上述第一催化剂层的厚度方向进行取向的第二纤维状碳材料，将上述第一催化剂层的厚度记作T时，上述催化剂层的从上述第一主面至0.25T为止的第一区域中的上述第一纤维状碳材料的数量FF1相对于上述第二纤维状碳材料的数量SF1的比例R1即FF1/SF1、上述催化剂层的从上述第二主面至0.25T为止的第二区域中的上述第一纤维状碳材料的数量FF2相对于上述第二纤维状碳材料的数量SF2的比例R2即FF2/SF2、以及上述催化剂层的除了上述第一区域和上述第二区域之外的第三区域中的上述第一纤维状碳材料的数量FF3相对于上述第二纤维状碳材料的数量SF3的比例R3即FF3/SF3满足R3＜R1和R3＜R2中的至少一种关系。专利技术效果根据本专利技术的燃料电池用催化剂层，能够抑制电阻的增大，且提高气体扩散性。此外，根据本专利技术的膜电极接合体，能够提高气体扩散性，且抑制电阻的增大。附图说明图1是示意性地示出本专利技术的第一方式所述的燃料电池用催化剂层的结构的截面图。图2A是示意性地示出本专利技术的第一方式所述的燃料电池的单电池单元的结构的截面图。图2B是示意性地示出本专利技术的第一方式所述的燃料电池的另一单电池单元的结构的截面图。图3是使用扫描型电子显微镜(SEM)对实施例1中制作的催化剂层的截面进行拍摄而得的照片。图4是使用扫描型电子显微镜(SEM)对实施例2中制作的催化剂层的截面进行拍摄而得的照片。图5是示意性地示出本专利技术的第二方式所述的膜电极接合体的结构的截面图。图6是使用催化剂层的截面对纤维状碳材料的取向角度的计算方法进行说明的说明图。图7是使用催化剂层的截面对催化剂层的各主面的弯曲度的计算方法进行说明的说明图。图8A是示意性地示出本专利技术的第二方式所述的燃料电池的单电池单元的结构的截面图。图8B是示意性地示出本专利技术的第二方式所述的燃料电池的另一单电池单元的结构的截面图。具体实施方式具备低电阻和高气体扩散性的催化剂层或膜电极接合体通过以下的两个方式来实现。A.第一方式第一方式是一种燃料电池用催化剂层，其具备纤维状碳材料、催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂。燃料电池用催化剂层具备区域A和区域B，所述区域A至少包含聚集体状态的纤维状碳材料，所述区域B至少包含催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂，区域A以岛状配置于区域B。第一方式还包括：具备上述燃料电池用催化剂层的燃料电池。B.第二方式第二方式是一种膜电极接合体，其具有：具备第一主面和第二主面的催化剂层、配置于第一主面的气体扩散层、以及配置于第二主面的电解质膜。催化剂层具备纤维状碳材料、催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂，纤维状碳材料具备沿着第一主面进行取向的第一纤维状碳材料、以及沿着催化剂层的厚度方向进行取向的第二纤维状碳材料。将催化剂层的厚度记作T时，催化剂层的从第一主面至0.25T为止的第一区域中的第一纤维状碳材料的数量FF1相对于第二纤维状碳材料的数量SF1的比例R1即FF1/SF1、催化剂层的从第二主面至0.25T为止的第二区域中的第一纤维状碳材料的数量FF2相对于第二纤维状碳材料的数量SF2的比例R2即FF2/SF2、以及催化剂层的除了第一区域和第二区域之外的第三区域中的第一纤维状碳材料的数量FF3相对于第二纤维状碳材料的数量SF3的比例R3即FF3/SF3满足R3＜R1和R3＜R2中的至少一种关系。第二方式还包括：具备上述膜电极接合体的燃料电池。针对各方式进行详本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用催化剂层，其具备纤维状碳材料、催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂，且具备区域A和区域B，所述区域A至少包含聚集体状态的所述纤维状碳材料，所述区域B至少包含所述催化剂粒子、所述粒子状碳材料和所述质子传导性树脂，所述区域A以岛状配置于所述区域B。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.09 JP 2016-177043;2016.09.20 JP 2016-183341.一种燃料电池用催化剂层，其具备纤维状碳材料、催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂，且具备区域A和区域B，所述区域A至少包含聚集体状态的所述纤维状碳材料，所述区域B至少包含所述催化剂粒子、所述粒子状碳材料和所述质子传导性树脂，所述区域A以岛状配置于所述区域B。2.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂层，其中，所述区域A的长径Lm为1μm～50μm。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用催化剂层，其中，所述催化剂粒子担载于所述粒子状碳材料和所述纤维状碳材料。4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池用催化剂层，其中，所述催化剂层的主面方向上的所述区域A的长度Ls、和与所述主面方向垂直的方向上的所述区域A的长度Lt满足Ls＜Lt的关系。5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池用催化剂层，其中，所述燃料电池用催化剂层具有第一主面和位于所述第一主面的相反侧的第二主面，所述燃料电池用催化剂层具备连接所述第一主面与所述第二主面的所述区域A。6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池用催化剂层，其中，所述区域A的体积Va与所述燃料电池用催化剂层的体积V满足5％≤Va/V≤60％的关系。7.一种燃料电池，其具备：电解质膜；以夹持所述电解质膜的方式配置的第一催化剂层和第二催化剂层；以分别隔着所述第一催化剂层和所述第二催化剂层而夹持所述电解质膜的方式配置的第一气体扩散层和第二气体扩散层；以及以分别隔着所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层而夹持所述电解质膜的方式配置的第一间隔件和第二间隔件，所述第一催化剂层和所述第二催化剂层中的至少一者为权利要求1所述的燃料电池用催化剂层。8.一种膜电极接合体，其具有：具备第一主面和第二主面的催化剂层、配置于所述第一主面的气体扩散层、以及配置于所述第二主面的电解质膜，所述催化剂层具备纤维状碳材料、催化剂粒子、粒子状碳材料和质子传导性树脂，所述纤维状碳材料具备沿着所述第一主面进行取向的第一纤维状碳材料、以及沿着所述催化剂层的厚度方向进行取向的第二纤维状碳材料，将所述催化剂层的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：坂田基浩，南浦武史，井村真一郎，石本仁，山崎和哉，信森千穗，岛崎幸博，藤井努，
申请(专利权)人：松下知识产权经营株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP