电极催化剂层、膜-电极接合体以及电极催化剂层的制造方法技术

本发明专利技术提供在低加湿条件下和高加湿条件下发电性能可以大幅改善的电极催化剂层、包含该电极催化剂层的膜‑电极接合体以及该电极催化剂层的制造方法。本实施方式的电极催化剂层具有作为催化剂的铂粒子，并且进一步含有碳粒子、纤维状物质以及高分子电解质，该电极催化剂层为单层，在将电极催化剂层的厚度D与电极催化剂层的铂负载量W的比设为D/W、将碳粒子相对于电极催化剂层的质量的质量比设为C、将纤维状物质相对于电极催化剂层的质量的质量比设为F的情况下，满足下述(1)式：6.0>(C+F)·(D/W)≥1.0[cm

Electrode catalyst layer, membrane electrode junction and manufacturing method of electrode catalyst layer

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极催化剂层、膜-电极接合体以及电极催化剂层的制造方法
本专利技术涉及固体高分子型燃料电池用的电极催化剂层、包含该电极催化剂层的膜-电极接合体以及该电极催化剂层的制造方法。
技术介绍
近年来，为了解决地球变暖等环境问题，要求开发出可以削减CO2的新型动力源。作为该动力源，不排放CO2的燃料电池备受关注。在燃料电池中，使用氧化剂(例如氧气)将燃料(例如氢气)氧化以生成无害的水。燃料电池将通过生成水而得到的化学能转换为电能，从而作为动力源或电源使用。燃料电池是根据电解质的种类进行分类的，所以与工作温度有很大关系，并根据搭载物工作的温度范围来分别使用合适的燃料电池。在燃料电池中，固体高分子型燃料电池(PEFC)由于其低温工作、高输出功率密度，并且可以实现小型化和轻量化，因此被开发作为家庭用电源、车载用动力源。固体高分子型燃料电池(PEFC)具备将高分子电解质膜夹在燃料电极(阳极)与空气电极(阴极)之间而成的构造体(膜-电极接合体)，并且将作为燃料气体的氢气供给到燃料电极侧、将含有氧气的空气气体供给到空气电极侧，并根据下述电化学反应进行发电。阳极：H2→2H++2e-···(反应1)阴极：1/2O2+2H++2e-→H2O···(反应2)阳极与阴极均由电极催化剂层和气体扩散层的层叠结构构成。固体高分子型燃料电池(PEFC)中，通过电极催化剂，由供给到阳极侧电极催化剂层的氢气生成质子与电子(反应1)。质子经由阳极侧电极催化剂层内的高分子电解质、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、以及从外部供给来的空气中所包含的氧气发生反应而生成水(反应2)。为了实现燃料电池的低成本化，正在致力于开发表现出高输出特性的燃料电池。然而，由于高输出运转而导致过剩地生成了水，产生了妨碍向电极催化剂层和气体扩散层供给气体的现象(溢流，flooding)，从而存在发电性能降低的问题。为了解决上述课题，在专利文献1、2中提出：电极催化剂层不仅含有负载有铂的碳，而且还含有碳纤维。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开平10-241703号公报专利文献2：日本专利第5537178号公报
技术实现思路
[本专利技术要解决的课题]根据专利文献1、2，据推测：通过在电极催化剂层中含有碳纤维，在电极催化剂层中产生空隙，进而提高排水性。然而，专利文献1、2虽然对于碳纤维的构造和含量进行了明确的记载，但是对于表现出高发电性能的电极催化剂层的构造并不是明确的。本专利技术是鉴于上述这样的实情而完成的，其目的在于提供一种在低加湿条件下和高加湿条件下发电性能能够大幅改善的电极催化剂层、包含该电极催化剂层的膜-电极接合体以及该电极催化剂层的制造方法。[解决课题的手段]为了解决课题，本专利技术的一个方式为：一种固体高分子型燃料电池用的电极催化剂层，具有催化剂粒子、导电性载体、纤维状物质以及高分子电解质，其特征在于：所述电极催化剂层为单层，在将所述电极催化剂层的厚度D与催化剂负载量W的比设为D/W，将所述导电性载体相对于所述电极催化剂层的质量的质量比设为C，将所述纤维状物质相对于所述电极催化剂层的质量的质量比设为F的情况下，满足下述(1)式：6.0>(C+F)·(D/W)≥1.0[cm3/g]···(1)[本专利技术的效果]根据本专利技术的一个方式，可以提供一种能够提高排水性和气体扩散性、并且显示出高发电性能的固体高分子型燃料电池。附图说明[图1]是对本专利技术实施方式涉及的固体高分子型燃料电池用的电极催化剂层的构成进行说明的示意图。[图2]是对本专利技术实施方式涉及的膜-电极接合体的构成进行说明的图。具体实施方式参照附图对本专利技术的实施方式进行说明。需要说明的是，本专利技术不限于以下记载的实施方式，也可以基于本领域技术人员的知识而进行设计的变更等变形，并且进行了那样变形的实施方式也包含在本专利技术的实施方式的范围内。如图1所示，本实施方式的固体高分子型燃料电池的电极催化剂层具备：催化剂粒子1、导电性载体2、纤维状物质4以及高分子电解质3。然后，该电极催化剂层为单层，其(例如)用于固体高分子型燃料电池的阳极和阴极两者。另外，在将电极催化剂层的厚度D与催化剂负载量W的比设为D/W、将导电性载体2相对于电极催化剂层的质量的质量比设为C、将纤维状物质4相对于电极催化剂层的质量的质量比设为F的情况下，满足下述(1)式：6.0>(C+F)·(D/W)≥1.0[cm3/g]···(1)另外，如图2所示，本实施方式的膜-电极接合体由高分子电解质膜5、阴极用电极催化剂层6、阳极用电极催化剂层7、垫片材料8以及气体扩散层9构成。<电极催化剂层>接下来，参照图1对本实施方式的电极催化剂层的构成进行说明。作为本实施方式中使用的催化剂粒子1，例如可以使用铂族元素、金属、或者它们的合金、氧化物以及复合氧化物等。作为铂族元素，可以列举出：铂、钯、钌、铱、铑、以及锇；作为金属，可以列举出：铁、铅、铜、铬、钴、镍、锰、钒、钼、镓、以及铝等。催化剂粒子1的粒径例如在0.1nm以上1μm以下的范围内，优选在0.5nm以上100nm以下的范围内，更优选在1nm以上10nm以下的范围内。作为负载这些催化剂粒子1的导电性载体2，例如可以使用碳粒子。关于碳粒子的种类，只要是微粒状且具有导电性，并且不受催化剂粒子1的影响，则可以为任意物质，例如可以使用碳黑、石墨、黑铅、活性炭、富勒烯等。以下，将负载有上述催化剂粒子1的状态下的碳粒子(导电性载体2)合并称为碳负载催化剂。催化剂粒子1相对于碳负载催化剂的质量比可以在20％以上70％以下的范围内。当催化剂粒子1相对于碳负载催化剂的质量比小于20％时，电极催化剂层的反应性降低，有时会显著地损害发电性能。另外，当催化剂粒子1相对于碳负载催化剂的质量比超过70％时，在制备液体的过程中不仅导电性载体2彼此的凝聚性会提高，而且导电性载体2与高分子电解质3之间的接触面积也会减少，从而有可能损害发电性能。作为本实施方式中使用的高分子电解质3，只要其具有质子传导性即可，可以使用与高分子电解质膜5相同的材料，例如可以使用氟系高分子电解质、烃系高分子电解质等。需要说明的是，作为氟系高分子电解质，例如可以使用杜邦公司制造的Nafion(注册商标)系材料等。当将导电性载体2相对于电极催化剂层的质量的质量比设为C，将纤维状物质4相对于电极催化剂层的质量的质量比设为F时，与高分子电解质3的质量I的比(I/(C+F))可以在0.2以上1.5以下的范围内。在I/(C+F)小于0.2的情况下，质子通路缺乏，可能会显著地损害发电性能。另外，在I/(C+F)超过1.5的情况下，电极催化剂层的排水性降低，可能会显著地损害燃料电池的发电性能。需要说明的是，所谓电极催化剂层的质量指的是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极催化剂层，其为固体高分子型燃料电池用的电极催化剂层，包含：催化剂粒子、导电性载体、纤维状物质以及高分子电解质，特征在于：/n所述电极催化剂层为单层，/n在将所述电极催化剂层的厚度D与催化剂负载量W的比设为D/W、将所述导电性载体相对于所述电极催化剂层的质量的质量比设为C、将所述纤维状物质相对于所述电极催化剂层的质量的质量比设为F的情况下，满足下述(1)式：/n6.0>(C+F)·(D/W)≥1.0[cm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171031 JP 2017-2106531.一种电极催化剂层，其为固体高分子型燃料电池用的电极催化剂层，包含：催化剂粒子、导电性载体、纤维状物质以及高分子电解质，特征在于：
所述电极催化剂层为单层，
在将所述电极催化剂层的厚度D与催化剂负载量W的比设为D/W、将所述导电性载体相对于所述电极催化剂层的质量的质量比设为C、将所述纤维状物质相对于所述电极催化剂层的质量的质量比设为F的情况下，满足下述(1)式：
6.0>(C+F)·(D/W)≥1.0[cm3/g]…(1)。


2.根据权利要求1所述的电极催化剂层，特征在于：
在将所述导电性载体的质量比C和所述纤维状物质的质量比F与所述高分子电解质的质量I的比设为I/(C+F)的情况下，I/(C+F)在0.2以上1.5以下的范围内。

【专利技术属性】
技术研发人员：川村敦弘，
申请(专利权)人：凸版印刷株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP