电极催化剂层、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池的制作方法

本公开涉及电极催化剂层、膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池。

背景技术：

1、固体高分子型燃料电池(pefc)具备固体高分子电解质膜、燃料电极(阳极)以及空气电极(阴极)。在固体高分子型燃料电池中，阳极和阴极夹着固体高分子电解质膜。固体高分子型燃料电池通过向阳极供给含氢的燃料气体、向阴极供给含氧的氧化剂气体来发电。由固体高分子型燃料电池产生的电力由下述电化学反应产生。

2、h2→2h++2e-···式(1)

3、1/2o2+2h++2e-→h2o···式(2)

4、阳极和阴极各自具有在电极催化剂层上层叠有气体扩散层的结构。阳极用电极催化剂层由供给到电极催化剂层的燃料气体生成质子和电子(上式(1))。质子通过阳极用电极催化剂层所含的高分子电解质、以及高分子电解质膜而移动到阴极。电子通过外部回路而移动到阴极。在阴极用电极催化剂层中，质子、电子、以及从外部供给的氧化剂气体发生反应而生成水(上式(2))。

5、阳极用电极催化剂层中所含的催化剂和阴极用电极催化剂层中所含的催化剂促进式(1)和式(2)所示的氧化还原反应。具备包含对于氧化还原反应的催化剂活性高的催化剂的电极催化剂层的膜电极接合体显示出高的发电特性。例如，作为催化剂活性高的催化剂，使用含有铂的催化剂(例如，参照专利文献1)。另一方面，还提出了使用除了贵金属元素以外的非贵金属元素、以及贵金属元素和非贵金属元素这两者的催化剂(例如，参照专利文献2)。

6、现有技术文献

7、专利文献

8、专利文献1：日本特开2016-219179号公报

9、专利文献2：日本特开2008-270176号公报

技术实现思路

1、发明所要解决的课题

2、然而，含有铂的催化剂含有稀有的铂，而且价格也高。因此，要求减少了铂含量的膜电极接合体。与此相对，根据使用了贵金属元素和非贵金属元素这两者的催化剂，正因为催化剂中的贵金属元素的含量少，因此能够降低催化剂的制造所需的成本。然而，关于包含含有贵金属特别是铂的催化剂、和不含有铂的非铂催化剂这两者的电极催化剂层所具有的结构对搭载有具备电极催化剂层的膜电极接合体的固体高分子型燃料电池的电池性能的影响，还留有研究的余地。

3、本公开的目的在于提供能够提高电池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。

4、用于解决课题的手段

5、用于解决上述课题的电极催化剂层包括以在膜电极接合体中与固体高分子电解质膜接合的方式构成的第1面和与所述第1面相反一侧的第2面。所述电极催化剂层由第1部分和第2部分构成，所述第1部分具有包含所述第1面的层状，所述第2部分具有包含所述第2面的层状且层叠在所述第1部分上。所述电极催化剂层包含：含有铂的第1催化剂、和由过渡金属氧化物形成的第2催化剂。所述第1催化剂的催化剂活性高于所述第2催化剂的催化剂活性。所述电极催化剂层中的所述第1催化剂的密度在所述第1部分当中的包含所述第1面的区域中最高。所述第2部分中的所述第1催化剂的密度的最大值小于所述第1部分中的所述第1催化剂的密度的最小值。

6、用于解决上述课题的膜电极接合体具备上述电极催化剂层和固体高分子电解质膜。所述电极催化剂层的所述第1面与所述固体高分子电解质膜接合。

7、用于解决上述课题的固体高分子型燃料电池具备膜电极接合体。

8、根据上述电极催化剂层、上述膜电极接合体以及上述固体高分子型燃料电池，由于催化剂活性高的第1催化剂较多分布在距固体高分子电解质膜的距离小的区域，因此与第1催化剂分布在距固体高分子电解质膜的距离更大的区域的情况相比，容易在电极催化剂层中发生氧化还原反应。因此，能够提高搭载了具备电极催化剂层的膜电极接合体的固体高分子型燃料电池的电池性能。

9、在上述电极催化剂层中，所述电极催化剂层中的所述第2催化剂的密度可以在所述第2部分当中的包含所述第2面的区域中最高，所述第1部分中的所述第2催化剂的密度的最大值可以小于所述第2部分中的所述第2催化剂的密度的最小值。

10、根据上述电极催化剂层，由于催化剂活性低的第2催化剂较多分布在距固体高分子电解质膜的距离大的区域，因此与第2催化剂分布在距固体高分子电解质膜的距离小的区域的情况相比，在固体高分子电解质膜的附近可以较多分布催化剂活性高的第1催化剂。因此，能够提高搭载了具备电极催化剂层的膜电极接合体的固体高分子型燃料电池的电池性能。

11、在上述电极催化剂层中，由第1部分和第2部分构成，所述第1部分可以包含所述第1催化剂且不包含所述第2催化剂，所述第2部分可以包含所述第2催化剂且不包含所述第1催化剂，所述第1部分可以具有包含所述第1面的层状，所述第2部分可以具有包含所述第2面的层状且层叠在所述第1部分上。

12、根据上述电极催化剂层，可以分别形成包含第1催化剂的第1部分和包含第2催化剂的第2部分。因此，在使用催化剂层用浆料形成电极催化剂层的情况下，可以调整分别适合于第1催化剂和第2催化剂的催化剂层用浆料。

13、在上述电极催化剂层中，在所述过渡金属氧化物中，过渡金属可以是选自由钛、钽、铌、铁以及锆组成的组中的至少1种。根据该电极催化剂层，可以得到对于氧化还原反应具有催化剂活性的催化剂。

14、在上述电极催化剂层中，所述第2催化剂可以具有纤维状。根据该电极催化剂层，通过具有催化剂活性的第2催化剂，能够提高电极催化剂层的机械强度，由此，也能够抑制在电极催化剂层中产生的裂纹。

15、用于解决上述课题的电极催化剂层包括以在膜电极接合体中与固体高分子电解质膜接合的方式构成的第1面和与所述第1面相反一侧的第2面。电极催化剂层由第1部分和第2部分构成，所述第1部分具有包含所述第1面的层状，所述第2部分具有包含所述第2面的层状且层叠在所述第1部分上。电极催化剂层包含：含有铂的第1催化剂、和由过渡金属氧化物形成的第2催化剂。所述第1催化剂的催化剂活性高于所述第2催化剂的催化剂活性。所述电极催化剂层中的所述第1催化剂的密度在所述第2部分当中的包含所述第2面的区域中最高，所述第1部分中的所述第1催化剂的密度的最大值小于所述第2部分中的所述第1催化剂的密度的最小值。

16、根据上述电极催化剂层，通过在电极催化剂层的厚度方向上第1催化剂的密度具有梯度，从而能够提高搭载了具备电极催化剂层的膜电极接合体的固体高分子型燃料电池的电池性能。

17、发明的效果

18、根据本公开，可以提高电池性能。

技术特征：

1.一种电极催化剂层，包括以在膜电极接合体中与固体高分子电解质膜接合的方式构成的第1面和与所述第1面相反一侧的第2面，

2.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其中，

3.根据权利要求1或2所述的电极催化剂层，其中，

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电极催化剂层，其中，

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极催化剂层，其中，

6.一种电极催化剂层，包括以在膜电极接合体中与固体高分子电解质膜接合的方式构成的第1面和与所述第1面相反一侧的第2面，

7.一种膜电极接合体，具备：

8.一种固体高分子型燃料电池，具备：

技术总结
电极催化剂层包括以在膜电极接合体中与固体高分子电解质膜接合的方式构成的第1面和与第1面相反一侧的第2面。电极催化剂层由第1部分和第2部分构成，第1部分具有包含第1面的层状，第2部分具有包含第2面的层状且层叠在第1部分上。电极催化剂层包含：含有铂的第1催化剂、和由过渡金属氧化物形成的第2催化剂。第1催化剂的催化剂活性高于第2催化剂的催化剂活性。电极催化剂层中的第1催化剂的密度在第1部分当中的包含第1面的区域中最高。第2部分中的第1催化剂的密度的最大值小于第1部分中的第1催化剂的密度的最小值。

技术研发人员：铃木裕,盛冈弘幸,小泽麻都香
受保护的技术使用者：凸版印刷株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15