CN113544884A - 燃料电池的阴极催化剂层及燃料电池 - Google Patents

燃料电池的阴极催化剂层及燃料电池 Download PDF

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Abstract

阴极催化剂层(121)具有气体扩散层侧的第一催化剂层(121A)和电解质膜(110)侧的第二催化剂层(121B)这2层。第一催化剂层(121A)包含第一粒子状导电构件(123)、第一催化剂粒子(124)和第一纤维状导电构件(125)，第一催化剂粒子的至少一部分担载于第一粒子状导电构件。第二催化剂层(121B)包含第二粒子状导电构件(126)和第二催化剂粒子(127)，第二催化剂粒子的至少一部分担载于第二粒子状导电构件。第二粒子状导电构件中的第二催化剂粒子的催化剂担载密度D2大于第一粒子状导电构件中的第一催化剂粒子的催化剂担载密度D1。

Description

燃料电池的阴极催化剂层及燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池的阴极催化剂层及燃料电池。
背景技术
燃料电池具备膜电极接合体，该膜电极接合体具有电解质膜和夹着电解质膜的一对电极。一对电极分别从电解质膜侧起依次具备催化剂层和气体扩散层。
作为阴极侧的催化剂层，专利文献1中公开了如下构成：形成电解质膜侧的第一层和气体扩散层侧的第二层的2层结构，使第一层中的催化剂相对于催化剂担载体的担载密度为第二层中的催化剂相对于催化剂担载体的担载密度的3～6倍。
然而，在使用质子传导性的高分子电解质膜作为电解质膜的情况下，为了提高高分子电解质膜的质子传导性，需要水分。因此，通常在对燃料气体或氧化性气体进行加湿的基础上供给至催化剂层。在该情况下，用于生成水蒸气气体并对燃料气体或氧化性气体进行加湿的设备(加湿器)通常与燃料电池单元分开设置。
另一方面，期望在无法确保用于设置加湿器的充分的空间的环境下也能够利用燃料电池。另外，还期望加湿器的小型化。因此，期望在低加湿(例如，相对湿度20％～40％)的条件下具有高输出性能的燃料电池。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-73149号公报
发明内容
发明要解决的课题
如专利文献1那样，在将阴极催化剂层设为催化剂担载密度不同的两层结构的情况下，如果仅提高电解质膜侧的催化剂担载密度，则有时由于催化剂担载密度的增大而导致催化剂粒径增大，反应面积降低。
另一方面，在降低气体扩散层侧的催化剂担载密度的情况下，为了得到同等的催化剂反应，需要增厚催化剂层的厚度。例如，在将催化剂担载密度降低至1/3左右的情况下，为了使催化剂的担载量相同，需要将催化剂层的厚度增厚至3倍左右。其结果是，有时质子移动的阻力增大。
用于解决课题的手段
本发明的一方面涉及一种燃料电池的阴极催化剂层，其具有：第一催化剂层以及第二催化剂层，上述第一催化剂层包含第一粒子状导电构件、第一催化剂粒子和第一纤维状导电构件，上述第一催化剂粒子的至少一部分担载于上述第一粒子状导电构件，，上述第二催化剂层包含第二粒子状导电构件和第二催化剂粒子，上述第二催化剂粒子的至少一部分担载于上述第二粒子状导电构件，第二催化剂担载密度D2大于第一催化剂担载密度D1，上述第二催化剂担载密度D2以担载于上述第二粒子状导电构件的上述第二催化剂粒子的质量在担载于上述第二粒子状导电构件的上述第二催化剂粒子和上述第二粒子状导电构件的合计质量中所占的比例表示，上述第一催化剂担载密度D1以担载于上述第一粒子状导电构件的上述第一催化剂粒子的质量在担载于上述第一粒子状导电构件的上述第一催化剂粒子和上述第一粒子状导电构件的合计质量中所占的比例表示。
本发明的另一个方面涉及一种燃料电池，其具备：具有上述阴极催化剂层的阴极；阳极；以及介于上述阴极与上述阳极之间的电解质膜，上述第二催化剂层介于上述第一催化剂层与上述电解质膜之间。
发明的效果
根据本发明，阴极催化剂的利用效率提高，能够提高燃料电池的发电性能。
在所附的技术方案中记述了本发明的新的特征，本发明涉及构成和内容这两者，与本发明的其他目的和特征一起，通过对照附图的以下的详细说明而能够更好地理解。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的实施方式所涉及的燃料电池的单体电池的结构的截面图。
图2是示意性地表示本发明的实施方式的催化剂层的内部的图。
具体实施方式
本发明的实施方式的燃料电池的阴极催化剂层是具有第一催化剂层和第二催化剂层的2层结构。第一催化剂层包含第一粒子状导电构件、第一催化剂粒子和第一纤维状导电构件，第一催化剂粒子的至少一部分担载于第一粒子状导电构件。第二催化剂层包含第二粒子状导电构件和第二催化剂粒子，第二催化剂粒子的至少一部分担载于第二粒子状导电构件。需要说明的是，在构成燃料电池的情况下，以阴极催化剂层的第二催化剂层位于电解质膜侧的方式层叠电解质膜和阴极催化剂层。在阴极催化剂层的第一催化剂层侧可以层叠气体扩散层。
在此，将担载于第一粒子状导电构件的第一催化剂粒子的质量在担载于第一粒子状导电构件的第一催化剂粒子和第一粒子状导电构件的合计质量中所占的比例设为第一催化剂担载密度D1。将担载于第二粒子状导电构件的第二催化剂粒子的质量在担载于第二粒子状导电构件的第二催化剂粒子和第二粒子状导电构件的合计质量中所占的比例设为第二催化剂担载密度D2。第二催化剂担载密度比第一催化剂担载密度大(D1＜D2)。
在燃料电池的发电时，在阴极催化剂层内，质子(氢离子)与氧化物离子反应，生成水。氧化物离子由从第一催化剂层侧供给的氧化性气体(例如空气)通过经由配置于阴极催化剂层内的催化剂的催化反应而生成。另一方面，质子在阳极中生成，经由电解质膜扩散到阴极催化剂层。因此，阴极催化剂层的靠近电解质膜的一侧与远离电解质膜的一侧相比质子浓度容易变高，催化剂反应容易集中在靠近电解质膜的一侧。
因此，通过使配置于电解质膜侧的第二催化剂层的催化剂担载密度D2比第一催化剂层的催化剂担载密度D1大，能够提高催化剂的利用效率。
特别是，在低加湿的发电条件下，质子传导性降低，因此质子在阴极催化剂层内难以扩散至远离电解质膜的区域，在阴极催化剂层的厚度方向上质子浓度的分布的偏差容易变得显著。因此，在靠近电解质膜的一侧，催化剂反应的集中程度容易进一步变大。在低加湿条件下，例如也可能引起如下情况：将阴极催化剂层的厚度设为T，在阴极催化剂层的电解质膜侧的T/4的厚度的区域中生成总发电电流的3/4。根据本发明的构成，即使在这样的低加湿的条件下，也能够抑制燃料电池的性能降低。
但是，随着降低第一催化剂层的催化剂担载密度，第一催化剂层的厚度容易变厚。其结果是，气体的扩散性降低，另外，有时质子移动的阻力增加。在本实施方式中，通过第一催化剂层包含第一纤维状导电构件，从而气体扩散性得到提高，并且质子的移动阻力的增加得到抑制。另外，通过发电而生成的水容易排出。
在第一催化剂层中，第一催化剂粒子可以担载于第一纤维状导电构件。然而，第一纤维状导电构件的催化剂担载密度越低，则第一纤维状导电构件的疏水性变得越高。因此，第一纤维状导电构件的催化剂担载密度越低，第一催化剂层的排水性越提高，越能够提高气体扩散性。第一催化剂粒子优选实质上不担载于第一纤维状导电构件，而实质上仅担载于第一粒子状导电构件。在此，在第一催化剂粒子的整体的质量中，担载于第一纤维状导电构件的第一催化剂粒子的质量的比例为0.5％以下的情况下，可以说第一催化剂粒子实质上仅担载于第一粒子状导电构件。
第二催化剂担载密度D2可以为第一催化剂担载密度D1的1.2倍以上，也可以为1.5倍以上。在第二催化剂担载密度D2的下限为上述的情况下，容易提高催化剂的利用效率。
第二催化剂担载密度D2可以为第一催化剂担载密度D1的3倍以下。在第二催化剂担载密度相对于第一催化剂担载密度之比过大的情况下，有时第二催化剂粒子的粒径增大，反应面积降低。另外，有时阴极催化剂层的整体的厚度变得过厚，质子的移动阻力增大。通过使第二催化剂担载密度D2为第一催化剂担载密度D1的3倍以下，能够抑制催化剂粒子的粒径的增大，能够抑制催化剂反应面积的降低。另外，阴极催化剂层整体的厚度成为适度的厚度，能够抑制质子移动阻力的增加。第二催化剂担载密度D2可以为第一催化剂担载密度D1的2倍以下。
第二催化剂担载密度D2例如为20％～60％。通过使第二催化剂担载密度D2为20％以上，能够得到大的反应面积。另一方面，通过将第二催化剂担载密度D2限于60％以下，能够抑制催化剂粒子的粒径的增大，抑制反应面积的降低。第二催化剂担载密度D2可以为30％～60％或30％～50％。
与此相对，第一催化剂担载密度D1例如为5％～40％。第一催化剂担载密度D1可以为10％～40％或10％～30％。
从提高催化剂层的反应性的观点出发，第一催化剂层和第二催化剂层优选还包含质子传导性树脂。该情况下，质子传导性树脂被覆粒子状导电构件(第一及第二粒子状导电构件)、纤维状导电构件(第一纤维状导电构件)和/或催化剂粒子(第一及第二催化剂粒子)的至少一部分。
与第一催化剂层同样地，第二催化剂层中可以包含纤维状导电构件(第二纤维状导电构件)。然而，在第二催化剂层包含第二纤维状导电构件的情况下，第二纤维状导电构件的质量相对于第二粒子状导电构件与第二纤维状导电构件的质量的合计的比例F2可以小于第一催化剂层中第一纤维状导电构件的质量相对于第一粒子状导电构件与第一纤维状导电构件的质量的合计的比例F1。第二催化剂层优选实质上不包含第二纤维状导电构件。在该情况下，第二催化剂层成为缓冲层，第一纤维状导电构件刺入电解质膜而引起的电解质膜的损伤得到抑制，能够防止气体从损伤部分泄漏。
需要说明的是，比例F2例如为20％以下，也可以为10％以下。如果比例F2为0.5％以下，则可以说第二催化剂层实质上不包含第二纤维状导电构件。
与此相对，比例F1例如为20％以上，也可以为30％以上或45％以上。比例F1例如为80％以下，也可以为65％以上。上述F1的下限和上限可以任意组合。
以下，对阴极催化剂层的构成要素进行详细说明。
(粒子状导电构件)
作为第一粒子状导电构件和第二粒子状导电构件，没有特别限定，但从导电性优异的方面考虑，优选炭黑。作为炭黑，可举出乙炔黑、科琴黑、热解炭黑、炉法炭黑、槽法炭黑等。其粒径(或者由多个连结的一次粒子构成的结构的长度)没有特别限定，可以使用以往用于燃料电池的催化剂层的粒径。
(纤维状导电构件)
作为第一纤维状导电构件和第二纤维状导电构件，例如可举出气相生长碳纤维(VGCF(注册商标))、碳纳米管、碳纳米纤维等纤维状碳材料。关于纤维状导电构件的直径DF，没有特别限定，优选为200nm以下，更优选为5nm以上且200nm以下，进一步优选为10nm以上且170nm以下。在该情况下，能够减小纤维状导电构件在催化剂层中所占的体积比例，并且能够充分确保气体路径，从而能够提高气体扩散性。纤维状导电构件的直径DF是通过从催化剂层中任意取出10根纤维状导电构件，并对它们的直径进行平均化而求出的。直径是与纤维状导电构件的长度方向垂直的方向的长度。
关于纤维状导电构件的长度LF，也没有特别限定，优选为0.2μm以上且20μm以下，更优选为0.2μm以上且10μm以下。在该情况下，纤维状导电构件的至少一部分沿着催化剂层的厚度方向取向，容易确保气体扩散路径。纤维状导电构件的长度LF为平均纤维长度，是通过从催化剂层中任意取出10根纤维状导电构件，并对这些纤维状导电构件的纤维长度进行平均化而求出的。需要说明的是，在大致直线状的纤维状导电构件的情况下，上述纤维状导电构件的纤维长度是指用直线连结纤维状导电构件的一端与另一端时的该直线的长度。纤维状导电构件的长径比LF/DF并没有特别限定，优选为10以上且500以下，更优选为20以上且250以下。
纤维状导电构件可以在内部具有中空的空间(中空部)。此时，在催化剂层内，纤维状导电构件的长度方向的两端可以分别开口。纤维状导电构件的长度方向的两端分别开口是指中空部与外部通过该开口连通。即，纤维状导电构件的两端的开口未被电解质膜和气体扩散层中的任一个堵塞，气体能够从两端进出。
可以在具有中空部的纤维状导电构件的侧壁设置连通中空部与外部的贯穿孔。可以以堵塞贯穿孔的至少一部分的方式将催化剂粒子配置于纤维状导电构件的侧壁并固定化。以堵塞贯通孔的至少一部分的方式担载于侧壁的催化剂粒子更有效地进行与反应气体的接触，大幅提高催化剂层的反应效率。
(催化剂粒子)
作为第一催化剂粒子和第二催化剂粒子，没有特别限定，可举出包含选自Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt、Os、Ir、镧系元素和锕系元素中的至少1种的合金、单质这样的催化剂金属。例如，作为阳极中使用的催化剂粒子，可举出Pt、Pt-Ru合金等。作为阴极中使用的催化剂粒子，可举出Pt、Pt-Co合金等。催化剂粒子的至少一部分担载于粒子状导电构件。从提高气体的反应效率的观点出发，催化剂粒子除了担载于粒子状导电构件以外，还担载于纤维状导电构件。
从催化剂粒子的固定化的观点出发，催化剂粒子的直径X优选为1nm以上且10nm以下，更优选为2nm以上且5nm以下。在X为1nm以上的情况下，可以充分得到催化剂粒子所带来的催化效果。在X为10nm以下的情况下，容易使催化剂粒子担载于纤维状导电构件的侧壁。
催化剂粒子的直径X如下求出。
对于在催化剂层的TEM图像中观察到的任意1个催化剂粒子，将与该粒子的截面积相等的圆的直径作为粒径。对TEM图像中观察到的100～300个催化剂粒子进行该操作，算出各自的粒径。将这些粒径的平均值作为催化剂粒子的直径X。
(质子传导性树脂)
作为质子传导性树脂，没有特别限定，可例示全氟碳磺酸系高分子、烃系高分子等。其中，从耐热性和化学稳定性优异的方面出发，优选全氟碳磺酸系高分子等。作为全氟碳磺酸系高分子，例如可举出Nafion(注册商标)。
从燃料电池的小型化和将质子电阻维持得低、得到高输出的观点出发，催化剂层的厚度优选尽可能薄。另一方面，从强度的观点出发，优选不过度薄。通常，如果纤维状导电构件的配合比例变多，则催化剂层的厚度容易变厚。
阴极催化剂层的厚度例如为4μm以上且15μm以下。其中，第一催化剂层的厚度可以为2μm以上且12μm以下。第二催化剂层的厚度可以为1μm以上且7μm以下。第一催化剂层的厚度相对于第二催化剂层的厚度之比可以为1以上且4以下，也可以为2以上且3以下。在此，催化剂层的厚度为平均厚度，是通过对于催化剂层的截面中的任意10个部位，将从一个主面到另一个主面引出沿着催化剂层的厚度方向的直线时的距离平均化而求出的。
催化剂层例如如下制作。
首先，将担载了催化剂粒子的粒子状导电构件在分散介质(例如，水、乙醇、丙醇等)中混合。接下来，一边搅拌所得到的分散液，一边依次添加质子传导性树脂和根据需要的纤维状碳材料，得到催化剂分散液。质子传导性树脂可以分2次以上添加。在该情况下，质子传导性树脂的第二次以后的添加可以与纤维状碳材料一起进行。然后，将所得到的催化剂分散液以均匀的厚度涂布于电解质膜或适当的转印用基材片的表面，使其干燥，由此得到催化剂层。
作为涂布法，可举出惯用的涂布方法，例如喷雾法、丝网印刷法、以及利用刮板涂布机、刮刀涂布机、凹版涂布机等各种涂布机的涂布法等。作为转印用基材片，例如优选使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯等具有平滑表面的片。在使用转印用基材片的情况下，所得到的催化剂层被转印至后述的电解质膜或气体扩散层。
催化剂层向电解质膜或气体扩散层的转印是通过使催化剂层的与转印用基材片对置的面与电解质膜或气体扩散层抵接来进行的。通过使催化剂层的平滑的面与电解质膜或气体扩散层抵接，从而与催化剂层的界面电阻减少，燃料电池的性能提高。可以在电解质层上直接涂布催化剂分散液。
本发明的实施方式的燃料电池具备：具有上述阴极催化剂层的阴极、阳极、以及介于阴极与阳极之间的电解质膜。此时，阴极催化剂层的第二催化剂层介于阴极催化剂层的第一催化剂层与电解质膜之间。
以下，一边参照图1一边对本实施方式的燃料电池的结构的一个例子进行说明。图1是示意性地表示配置于一个实施方式的燃料电池的单体电池的结构的截面图。通常，多个单体电池层叠而以电池堆的形式配置于燃料电池。在图1中，为了方便，示出了一个单体电池。
单体电池200具备膜电极接合体100，该膜电极接合体100具有电解质膜110、以夹着电解质膜110的方式配置的阴极催化剂层121和阳极催化剂层122、以及按照分别隔着阴极催化剂层121和阳极催化剂层122且夹着电解质膜110的方式配置的阴极侧气体扩散层131和阳极侧气体扩散层132。另外，单体电池200具备夹着膜电极接合体100的阴极侧间隔件241和阳极侧间隔件242。电解质膜110比阴极催化剂层121和阳极催化剂层122大一圈，因此电解质膜110的周缘部从阴极催化剂层121和阳极催化剂层122露出。电解质膜110的周缘部被一对密封构件251、252夹持。
图2是示意性地表示阴极催化剂层121的内部的图，是从面方向观察阴极催化剂层内部的图。图2还示出了电解质膜110。如图2所示，阴极催化剂层121包含第一催化剂层121A和第二催化剂层121B这两层。第一催化剂层121A包含第一粒子状导电构件123、第一催化剂粒子124及第一纤维状导电构件125。另一方面，第二催化剂层121B包含第二粒子状导电构件126及第二催化剂粒子127，实质上不包含纤维状导电构件(第二纤维状导电构件)。
在第一催化剂层121A中，第一催化剂粒子124担载于第一粒子状导电构件123。在第二催化剂层121B中，第二催化剂粒子127担载于第二粒子状导电构件126。第二粒子状导电构件126中的第二催化剂粒子127的担载密度(第二催化剂担载密度)大于第一粒子状导电构件123中的第一催化剂粒子124的担载密度(第一催化剂担载密度)。由此，能够提高催化剂的利用效率。
在第一催化剂层121A中，第一催化剂粒子124的一部分也可以担载于第一纤维状导电构件125。然而，从提高第一催化剂层121A的排水性、提高气体扩散性的观点考虑，可以减少担载于第一纤维状导电构件125的第一催化剂粒子124的量。第一纤维状导电构件125更优选实质上不担载第一催化剂粒子124。
阳极催化剂层122可以采用公知的材质和公知的构成。阳极催化剂层与阴极催化剂层同样可以包含导电构件、担载于导电构件的催化剂粒子、以及质子导电性树脂。并且，导电构件可以包含粒子状导电构件和/或纤维状导电构件。
阳极催化剂层没有暴露于阴极催化剂层那样高的氧化性的环境中，不会因反应而生成水，因此容易成为比阴极催化剂层低湿的环境。其结果是，质子传导性容易降低。可以变更粒子状导电构件、纤维状导电构件和质子导电性树脂的各组成和含有比例，以便得到比阴极催化剂层高的质子传导性。
(电解质膜)
作为电解质膜110，优选使用高分子电解质膜。作为高分子电解质膜的材料，可举出作为质子传导性树脂而例示的高分子电解质。电解质膜的厚度例如为5～30μm。
(气体扩散层)
作为阴极侧气体扩散层131和阳极侧气体扩散层132，可以为具有基材层的结构，也可以为不具有基材层的结构。作为具有基材层的结构，例如可举出具有基材层和设置于其催化剂层侧的微多孔层的结构体。基材层可以使用碳布、碳纸等导电性多孔质片。微多孔层使用氟树脂等疏水性树脂、导电性碳材料和质子传导性树脂(高分子电解质)的混合物等。
(间隔件)
阴极侧间隔件241和阳极侧间隔件242只要具有气密性、电子传导性和电化学稳定性即可，其材质没有特别限定。作为这样的材质，优选碳材料、金属材料等。也可以在金属材料上被覆碳。例如，通过将金属板成形为规定形状并实施表面处理，从而得到阴极侧间隔件241和阳极侧间隔件242。
在本实施方式中，在阴极侧间隔件241的与阴极侧气体扩散层131抵接的一侧的面形成有气体流路261。另一方面，在阳极侧间隔件242的与阳极侧气体扩散层132抵接的一侧的面形成有气体流路262。气体流路的形状没有特别限定，形成为直线型、蛇形等即可。
(密封构件)
密封构件251、252是具有弹性的材料，防止燃料和/或氧化剂从气体流路261、262泄漏。密封构件251、252例如具有呈环状包围阴极催化剂层121和阳极催化剂层122的周缘部的框状的形状。作为密封构件251、252，分别可以采用公知的材质和公知的构成。
以下，基于实施例更详细地说明本发明。但是，本发明并不限定于以下的实施例。
[实施例1]
<阴极催化剂层用的分散液的制备>
将担载了催化剂粒子(Pt-Co合金)的粒子状导电构件(炭黑)添加到适量的水中，进行搅拌，使其分散。一边搅拌所得到的分散液一边加入适量的乙醇后，相对于担载有催化剂粒子的上述粒子状导电构件100质量份，添加纤维状导电构件(气相生长碳纤维、平均直径为150nm、平均纤维长度为10μm)35质量份和质子传导性树脂(全氟碳磺酸系高分子)100质量份，进行搅拌，由此制备阴极催化剂层的第一催化剂层用的催化剂分散液。
在第一催化剂层用的催化剂分散液中，催化剂粒子的质量在粒子状导电构件和催化剂粒子的合计质量中所占的比例(第一催化剂担载密度D1)为30％。
另外，将担载了催化剂粒子(Pt-Co合金)的粒子状导电构件(炭黑)添加到适量的水中，进行搅拌，使其分散。一边搅拌所得到的分散液一边加入适量的乙醇后，相对于担载有催化剂粒子的上述粒子状导电构件100质量份，添加质子传导性树脂(全氟碳磺酸系高分子)100质量份，进行搅拌，由此制备阴极催化剂层的第二催化剂层用的催化剂分散液。
在第二催化剂层用的催化剂分散液中，催化剂粒子的质量在粒子状导电构件和催化剂粒子的合计质量中所占的比例(第二催化剂担载密度D2)为50％。
<阳极催化剂层用的分散液的制备>
将担载了催化剂粒子(Pt)的粒子状导电构件(炭黑)添加到适量的水中，进行搅拌，使其分散。一边搅拌所得到的分散液一边加入适量的乙醇后，相对于担载有催化剂粒子的上述粒子状导电构件100质量份，添加纤维状导电构件(气相生长碳纤维、平均直径为150nm、平均纤维长度为10μm)35质量份和质子传导性树脂(全氟碳磺酸系高分子)120质量份，进行搅拌，由此制备阳极催化剂层用的催化剂分散液。
<单体电池的制作>
使用喷雾法，在厚度15μm的电解质膜(全氟碳磺酸系高分子膜)表面以均匀的厚度涂布所得到的阴极催化剂层的第二催化剂层用的催化剂分散液。然后进行干燥，形成第二催化剂层。
进一步，在第二催化剂层上以均匀的厚度涂布第一催化剂层用的催化剂分散液。然后进行干燥，形成由第一催化剂层和第二催化剂层这2层构成的阴极催化剂层。
阴极催化剂层的膜厚为6μm，其中，第一催化剂层的膜厚为4μm，第二催化剂层的膜厚为2μm。
同样地，使用喷雾法在电解质膜的另一个表面以均匀的厚度涂布所得到的阳极催化剂层用的催化剂分散液。然后进行干燥，形成阳极催化剂层。阳极催化剂层的膜厚为4.5μm。
接着，准备2张多孔导电性碳片作为气体扩散层，使一个与阳极催化剂层抵接，使另一个与阴极催化剂层抵接。
接下来，按照围绕阳极和阴极的方式配置了框状密封构件。利用在与气体扩散层相接的部分具有气体流路的一对不锈钢制平板(间隔件)夹持整体，完成试验用单体电池A1。
<评价>
对实施例1的单体电池A1的发电性能进行评价。具体而言，将单体电池A1加热至80℃，将相对湿度30％的燃料气体供给至阳极，将相对湿度30％的氧化剂气体(空气)供给至阴极。燃料气体和氧化剂气体在各电流密度下加压至电池入口气体压力为50kPa～70kPa而供给。然后，以电流恒定地流动的方式控制负载控制装置，一边使相对于阳极和阴极的电极面积的电流密度变化，一边测定单体电池A1的电压(初始电压)V和输出密度P，求出输出密度成为最大的最大输出密度Pmax。
[比较例1]
在单体电池的制作中，仅将实施例1中的阴极催化剂层的第一催化剂层用的催化剂分散液以均匀的厚度涂布于电解质膜的表面。然后进行干燥，形成阴极催化剂层。
阴极催化剂层的膜厚为8μm。
除此以外，与实施例1同样地操作，完成试验用单体电池B1，与实施例1同样地进行了评价。需要说明的是，在电池单元A1和电池单元B2中，催化剂粒子在阴极催化剂层的整体中所占的量相同。
在将电池单元B1的最大输出密度设为100时，电池单元A1的最大输出密度Pmax为171，通过将阴极催化剂层设为气体扩散层侧的第一催化剂层和电解质膜侧的第二催化剂层这2层，使第二催化剂层的催化剂担载密度高于第一催化剂层，从而显著改善发电性能。
产业上的可利用性
本发明的燃料电池能够适合用作固定型的家庭用热电联产系统用电源、车辆用电源。本发明适合应用于高分子电解质型燃料电池，但并不限定于此，通常能够应用于燃料电池。
针对目前的优选实施方式，对本发明进行了说明，但不应限定性地解释这样的公开内容。通过阅读上述公开内容，各种变形和改变对于本发明所属技术领域中的本领域技术人员而言无疑是明确的。因此，所附的技术方案应解释为在不脱离本发明的真正的精神和范围的情况下包含所有的变形和改变。
附图标记说明
100：膜电极接合体
110：电解质膜
121：阴极催化剂层
121A：第一催化剂层
123：第一粒子状导电构件
124：第一催化剂粒子
125：第一纤维状导电构件
121B：第二催化剂层
126：第二粒子状导电构件
127：第二催化剂粒子
122：阳极催化剂层
131：阴极侧气体扩散层
132：阳极侧气体扩散层
200：燃料电池(单体电池)
241：阴极侧间隔件
242：阳极侧间隔件
251、252：密封构件
261、262：气体流路

Claims (4)

1.一种燃料电池的阴极催化剂层，其具有：
第一催化剂层，所述第一催化剂层包含第一粒子状导电构件、第一催化剂粒子和第一纤维状导电构件，所述第一催化剂粒子的至少一部分担载于所述第一粒子状导电构件；以及
第二催化剂层，所述第二催化剂层包含第二粒子状导电构件和第二催化剂粒子，所述第二催化剂粒子的至少一部分担载于所述第二粒子状导电构件，
第二催化剂担载密度D2大于第一催化剂担载密度D1，
所述第二催化剂担载密度D2以担载于所述第二粒子状导电构件的所述第二催化剂粒子的质量在担载于所述第二粒子状导电构件的所述第二催化剂粒子和所述第二粒子状导电构件的合计质量中所占的比例表示，
所述第一催化剂担载密度D1以担载于所述第一粒子状导电构件的所述第一催化剂粒子的质量在担载于所述第一粒子状导电构件的所述第一催化剂粒子和所述第一粒子状导电构件的合计质量中所占的比例表示。
2.根据权利要求1所述的阴极催化剂层，其中，在所述第一催化剂层中，担载于所述第一纤维状导电构件的所述第一催化剂粒子的质量在所述第一催化剂粒子的整体的质量中所占的比例为0.5％以下。
3.根据权利要求1或2所述的阴极催化剂层，其中，所述第二催化剂担载密度为所述第一催化剂担载密度的3倍以下。
4.一种燃料电池，其具备：
具有权利要求1～3中任一项所述的阴极催化剂层的阴极；
阳极；以及
介于所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，
所述第二催化剂层介于所述第一催化剂层与所述电解质膜之间。
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