JP2023080432A - 燃料電池の触媒層および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、高い導電性と優れた排水性を両立した燃料電池の触媒層を提供する。【解決手段】本開示における触媒層は、燃料電池のガス拡散層と電解質膜の間に介在する触媒層であって、この触媒層は、ガス拡散層に隣接する第１の触媒層と、電解質膜に隣接する第２の触媒層と、を有する。第１の触媒層と第２の触媒層は、それぞれ、第１の導電性材料と、第１の導電性材料と比較してモード径が小さい第２の導電性材料と、第１の導電性材料と第２の導電性材料の少なくとも一方に担持された触媒と、を含む。そして、第１の触媒層は、第２の触媒層よりも、第１の導電性材料と第２の導電性材料の合計重量に占める第２の導電性材料の重量の割合が小さいことを特徴とする。本開示の触媒層は、発電時に水が生成される側の電極の触媒層に用いるとよい。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池の触媒層および燃料電池に関する。

特許文献１は、触媒層の水分をより効率的に排出して、燃料電池のフラッディングを抑制可能な技術を開示する。この燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の表面に形成された触媒層と、触媒層の電解質膜とは反対側の表面に形成されたガス拡散層と、を備えている。

この触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマと、少なくとも一部をアイオノマに覆われた触媒担体と、触媒層内をガス拡散層から電解質膜に向かう細孔と、を備え、電解質膜と触媒層とガス拡散層とが積層された方向に対する細孔の横断面積が、触媒層の電解質膜側よりもガス拡散層側において大きい。

特開２０１３―１４５６５２号公報

本開示は、高い導電性と優れた排水性を両立することで、高効率な発電性能を持つ燃料電池の触媒層を提供する。

本開示における触媒層は、燃料電池のガス拡散層と電解質膜の間に介在する触媒層であって、この触媒層は、ガス拡散層に隣接する第１の触媒層と、電解質膜に隣接する第２の触媒層と、を有する。

第１の触媒層と第２の触媒層は、それぞれ、第１の導電性材料と、第１の導電性材料と比較してモード径が小さい第２の導電性材料と、第１の導電性材料と第２の導電性材料の少なくとも一方に担持された触媒と、を含む。

そして、第１の触媒層は、第２の触媒層よりも、第１の導電性材料と第２の導電性材料の合計重量に占める第２の導電性材料の重量の割合が小さいことを特徴とする。

本開示における触媒層は、導電性材料同士の接触面積減少による電気伝導性低下を抑制しながら、触媒層の排水性を向上することができる。そのため、本開示における触媒層を燃料電池に用いると燃料電池の発電性能を向上することができる。

実施の形態１における燃料電池セルの断面の概略構成を示す模式図 実施の形態１における触媒層の断面の概略構成を示す模式図 一方向に向かうにつれて間隙径が大きくなる間隙内の水に働く毛管圧を説明するための模式図 球を最密充填した構造を説明するための模式図 実施の形態１における触媒層のメソポーラス材料とアイオノマの位置関係を説明するための模式図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、水素と酸素を反応させて発電し発電時に水のみを生成することから脱炭素社会の実現に必要なキーデバイスとして燃料電池が注目されていた。

燃料電池の発電効率向上のためには、発電反応時に生成する水を効率的に排出させて、反応ガスである酸素および水素が阻害されることなく触媒点に到達させることが必要となる。

生成した水の排出を促進させる方策として、間隙内の水が毛管圧によって径の小さいほうから大きいほうへと押し出される性質を利用し、間隙径の小さい触媒層から間隙径の大きいガス拡散層、セパレータに向かって排水を促進させる構成となっている。

しかし、触媒層内の間隙径分布はおよそ一定であることから触媒層内において生成水が蓄積し、ガス拡散を阻害することで発電性能低下の要因の一つとなっていることが明らかとなってきた。

さらなる発電性能の向上のためには触媒層内の排水性をさらに向上させる必要があり、触媒層内において電解質膜側からガス拡散層側に向かって間隙径が大きくなっていくような分布を持たせるという着想を得た。

ところが、単一の触媒担持材料を積層させ、積層の疎密性によって間隙径を制御した場合は、間隙径の大きな領域において触媒担持材料同士の接触面積が低下することにより、導電性が低下し、優れた排水性と高い導電性の両立が困難であるという課題を発明者らは発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで本開示は、優れた排水性と高い導電性の両立することで、燃料電池での発電効率を向上した触媒層および燃料電池を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図５を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
（燃料電池）
図１は、燃料電池の基本単位である燃料電池セルの構成例を示している。図１に示す燃料電池セル７は、アノードに供給された水素とカソードに供給された酸素とを反応させて発電する固体高分子電解質型燃料電池である。

図１に示すように、燃料電池セル７は、アノードセパレータ５ａとカソードセパレータ
５ｃとの間に電解質膜－電極接合体６を有する。

アノードセパレータ５ａは、電解質膜－電極接合体６のアノード２ａに接する面に、燃料電池セル７に供給される水素を電解質膜－電極接合体６のアノード２ａに流す流路を有する。

カソードセパレータ５ｃは、電解質膜－電極接合体６のカソード２ｃに接する面に、燃料電池セル７に供給される酸素を電解質膜－電極接合体６のカソード２ｃに流す流路を有する。

燃料電池セル７がスタック構造である場合は、隣接するアノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｃは、隣り合うセル間を電気的に接続する。

電解質膜－電極接合体６は、電解質膜１と、アノード触媒層３ａおよびアノードガス拡散層４ａを含むアノード（燃料極）２ａおよび、カソード触媒層３ｃおよびカソードガス拡散層４ｃを含むカソード（空気極）２ｃとを備え、電解質膜１の両側を、アノード２ａとカソード２ｃとによって挟む構成となっている。

（電解質膜）
電解質膜１は、アノード２ａとカソード２ｃとの間のイオン伝導を行うものであり、イオン伝導性とガスバリア性とを併せ持つ必要がある。本実施の形態では、電解質膜１として、パーフルオロスルホン酸樹脂膜を用いた。このパーフルオロスルホン酸樹脂膜は、水素イオン伝導性が高く、燃料電池の発電環境下でも安定に存在するため好ましい。

（ガス拡散層）
アノードガス拡散層４ａおよびカソードガス拡散層４ｃは、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つ層である。アノードガス拡散層４ａおよびカソードガス拡散層４ｃは、基材およびコーティング層の２層を含む構成であってもよい。

基材は、導電性、ならびに気体および液体の透過性に優れた材料であればよく、本実施の形態では、基材として、カーボンペーパーを用いた。

コーティング層は、基材と触媒層（アノード触媒層３ａまたはカソード触媒層３ｃ）との間に介在し、これらの接触抵抗を下げ、液体の透過性（排水性）を向上するための層である。本実施の形態では、コーティング層として、カーボンブラックなどの導電性材料およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂を主成分として形成されたものを用いた。

（触媒層）
アノード触媒層３ａおよびカソード触媒層３ｃは、アノード２ａおよびカソード２ｃの電気化学反応を促進させる層である。

アノード触媒層３ａおよびカソード触媒層３ｃの触媒層は、導電性材料と、導電性材料に担持された触媒と、導電性材料の少なくとも一部を被覆するアイオノマ（水素イオン電導性樹脂）とを含んでいる。

図２に示すように、カソード触媒層３ｃは、カソードガス拡散層４ｃに隣接する第１の触媒層１１ａと、電解質膜１に隣接する第２の触媒層１１ｂとを有している。

第１の触媒層１１ａと第２の触媒層１１ｂは、それぞれ、第１の導電性材料１０ａと、
第１の導電性材料１０ａと比較してモード径が小さな第２の導電性材料１０ｂと、第１の導電性材料１０ａと第２の導電性材料１０ｂの少なくとも一方に担持された触媒１２と、第１の導電性材料１０ａと第２の導電性材料１０ｂの少なくとも一部を被覆するアイオノマ１３から構成されている。

そして、第１の触媒層１１ａは、第２の触媒層１１ｂよりも、第１の導電性材料１０ａと第２の導電性材料１０ｂの合計重量に占める第２の導電性材料１０ｂの重量の割合Ｘが小さい。

本実施の形態では、導電性材料間の接触面積低下による導電性の低下を抑制する目的から、第１の触媒層１１ａにおける割合Ｘは０．０５であり、また、カソード触媒層３ｃの厚さ低減によるガス拡散性向上のため、第２の触媒層１１ｂにおける割合Ｘは０．３であった。

（導電性材料）
本実施の形態では、第１の導電性材料１０ａとして、モード径がおよそ５００ｎｍであるメソポーラスカーボンを用い、第２の導電性材料１０ｂとして、モード径が５０ｎｍであるカーボンブラックを用いた。本実施の形態では、第２の導電性材料１０ｂのモード径は、第１の導電性材料１０ａのモード径の１０％であった。

（触媒）
図２に示すように、触媒１２は、第１の導電性材料１０ａと第２の導電性材料１０ｂの少なくとも第１の導電性材料１０ａに担持されている。本実施の形態では、触媒１２として、白金を含む合金を用いた。触媒１２のモード径は５ｎｍであった。

（アイオノマ）
図２に示すように、アイオノマ１３は、水素イオン（Ｈ^＋）伝導性を持った高分子ポリマーであり、第１の導電性材料１０ａと第２の導電性材料１０ｂの少なくとも一部を被覆している。本実施の形態では、アイオノマ１３として、高い水素イオン伝導性を持ち、燃料電池の発電環境下でも安定に存在するパーフルオロスルホン酸ポリマーを使用した。

（メソポーラス材料）
本実施の形態では、第１の導電性材料１０ａとして、図５に示すメソポーラス材料１４を用い、メソポーラス材料１４として、メソポーラスカーボンを用いた。このメソポーラス材料１４は、触媒１２を担持する前において、メソ孔１５のモード径が１０ｎｍ、メソ孔１５の細孔容積が２．０ｃｍ^３／ｇであった。また、メソポーラス材料１４のモード径は５００ｎｍであった。

［１－２．動作］
図１に基づいて、燃料電池セル７の運転方法、作用を説明する。燃料電池セル７の温度を６０℃に設定（維持）し、アノードセパレータ５ａの流路に露点が６０℃の水素を１００ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給し、カソードセパレータ５ｃに露点が６０℃の空気を３００ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給することにより、アノード２ａとカソード２ｃとを接続する外部回路に１０Ａの電流が流れる。

次に、運転中の電気化学デバイス内での物質の移動と電気化学反応について説明する。アノードセパレータ５ａの流路に供給された水素は、アノードガス拡散層４ａを通り、アノード触媒層３ａの触媒へ到達する。

アノード触媒層３ａでは、（化１）に示す水素が水素イオン（Ｈ^＋）と電子に解離する
酸化反応が起こり、水素イオン（Ｈ^＋）は、アノード触媒層３ａ（アイオノマ）を通り、電解質膜１を伝導し、カソード触媒層３ｃの触媒１２へ到達する。

アノード触媒層３ａで乖離した電子は、アノード触媒層３ａとアノードガス拡散層４ａとアノードセパレータ５ａを通り、電線および電子負荷装置を経由して、カソードセパレータ５ｃとカソードガス拡散層４ｃとカソード触媒層３ｃを通り、カソード触媒層３ｃの触媒１２へ到達する。

カソードセパレータ５ｃの流路へ供給された空気中の酸素は、カソードガス拡散層４ｃを通り、カソード触媒層３ｃの触媒１２へ到達する。カソード触媒層３ｃでは、（化２）に示す、水素イオン（Ｈ^＋）と酸素（Ｏ）と電子が結びついて水が生成される還元反応が起こる。

燃料電池セル７の発電性能を向上させるためには、原料となる水素と酸素がそれぞれ効率よくアノード触媒層３ａとカソード触媒層３ｃに到達することが必要であるが、発電反応に伴って生成した水は、カソード触媒層３ｃにおいてガス拡散の阻害要因となることから、効率的に水がカソード触媒層３ｃからカソードガス拡散層４ｃを経てカソードセパレータ５ｃの流路へ排出されることが必要となる。

図２に示すように、カソード触媒層３ｃは、電解質膜１側においてカソードガス拡散層４ｃ側よりも間隙のモード径が小さい。間隙内に蓄積した水の気液界面に働く毛管圧の大きさは（数１）に示すヤングラプラスの式に従い、間隙径の逆数に比例する。

このことから、図３に示すように、間隙径の小さい面における毛管圧Ｐ１は間隙径の大きい面における毛管圧Ｐ２よりも大きく、カソード触媒層３ｃ中の間隙内に蓄積した水が電解質膜１側からカソードガス拡散層４ｃ側に向かって押し出される方向に力を受けるため、排水性が向上する。また、導電性材料間の接触面積を増大させることで導電性が向上する。

図４に示すように半径ｒの球体ａを六方最密充填させた場合に、近接する四つの球体ａの中心を結ぶと一片の長さが２ｒの正四面体になる。正四面体の重心と正四面体の頂点の距離は約１．２２ｒと算出されることから、半径ｒの球体ａを六方最密充填させた場合の
近接する四つの球体ａ間の間隙に配置できる球の最大の半径は約０．２２ｒである。

このことから、第２の導電性材料１０ｂのモード径が第１の導電性材料１０ａのモード径の２２％以下であった場合に、六方最密充填された第１の導電性材料１０ａ間に生じる間隙に第２の導電性材料１０ｂを配置可能となり、間隙のモード径が小さくなる。

カソード触媒層３ｃ内の間隙のモード径が小さくなった場合、カソード触媒層３ｃとカソードガス拡散層４ｃの間隙のモード径の差が大きくなり、毛管圧によるカソード触媒層３ｃからカソードガス拡散層４ｃに間隙内の水を排出する力が大きくなることで排水性が向上する。また、導電性材料間の接触面積も増大することからカソード触媒層３ｃの導電性が向上する。

第１の導電性材料１０ａが内部にメソ孔１５を持ったメソポーラス材料１４であり、触媒１２がメソ孔１５内に担持されている場合は、アイオノマ１３がメソ孔１５内の触媒１２と接触することを抑制できる。

アイオノマ１３は、その最短辺のモード径は５０ｎｍ以上であることから、それよりも径の小さなメソ孔１５に触媒１２が担持されている場合は、アイオノマ１３がメソ孔１５に進入することができず接触が抑制される。触媒１２とアイオノマ１３が接触した際に触媒活性が低下することが知られているが、接触を抑制することによって活性低下を抑制することができる。

第１の導電性材料１０ａまたは第２の導電性材料１０ｂが、炭素系材料であった場合、カソード触媒層３ｃの排水性が向上する。炭素材料は導電性材料の中でも疎水性の高い材料であり、カソード触媒層３ｃの排水性を向上させることができる。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、カソード触媒層３ｃは、カソードガス拡散層４ｃに隣接する第１の触媒層１１ａと、電解質膜１に隣接する第２の触媒層１１ｂとを有する。

第１の触媒層１１ａと第２の触媒層１１ｂは、それぞれ、第１の導電性材料１０ａと、第１の導電性材料１０ａと比較してモード径の小さな第２の導電性材料１０ｂと、第１の導電性材料１０ａと第２の導電性材料１０ｂの少なくとも一方に担持された触媒１２とを含む。

そして、第１の触媒層１１ａは、第２の触媒層１１ｂよりも、第１の導電性材料１０ａと第２の導電性材料１０ｂの合計重量に占める第２の導電性材料１０ｂの重量の割合が小さいことを特徴とする。

これにより、カソード触媒層３ｃにおいて、電解質膜１に隣接する第２の触媒層１１ｂは、カソードガス拡散層４ｃに隣接する第１の触媒層１１ａよりも、導電性材料間の間隙モード径が小さくなり、発電時にカソード触媒層３ｃで生成される水が毛管圧によって電解質膜１側からカソードガス拡散層４ｃ側に向かって押し出される方向に力を受けるために排水性が向上する。

さらに、導電性材料間の接触面積を大きくすることで、導電性を向上させることができる。これらによって、高効率な触媒層を得ることができる。

また、本実施の形態のように、カソード触媒層３ｃは、第２の導電性材料１０ｂのモー
ド径が第１の導電性材料１０ａのモード径の２２％以下であってもよい。

そのように構成すれば、第１の導電性材料１０ａ間にできる間隙に第２の導電性材料１０ｂを配置可能となる。そして、カソード触媒層３ｃの導電性材料間の間隙を小さくすることで、カソード触媒層３ｃとカソードガス拡散層４ｃの間隙のモード径の差が大きくなるので、より排水性を向上させることができる。その結果、高効率な触媒層を得ることができる。

また、本実施の形態のように、カソード触媒層３ｃの第１の導電性材料１０ａは、少なくとも一部がアイオノマ１３によって被覆され、内部にモード径が１～５０ｎｍのメソ孔１５を有し、そのメソ孔１５内に触媒１２を担持したメソポーラス材料であってもよい。

そのように構成すれば、モード径が数十ｎｍであるアイオノマ１３とメソ孔内担持された触媒１２の接触が抑制され、接触による触媒活性の低下を抑制することができ、高効率な触媒層を得ることができる。

また、本実施の形態のように、カソード触媒層３ｃの第２の導電性材料１０ｂは、炭素材料であってもよい。

そのように構成すれば、導電性材料のなかでも炭素系材料は、高い疎水性を持つことから、カソード触媒層３ｃの排水性をより向上させることができ、高効率なカソード触媒層３ｃを得ることができる。

また、本実施の形態のように、本実施の形態のカソード触媒層３ｃを用いて燃料電池セル７を構成してもよい。

そのように構成すれば、カソード触媒層３ｃの排水性と導電性が従来のカソード触媒層よりも向上しているので、燃料電池セル７の発電性能を向上させることができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出題において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した書く構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

実施の形態１では、電解質膜１の一例として、パーフルオロスルホン酸樹脂膜を説明した。電解質膜１は、アノード２ａとカソード２ｃとの間のイオン（水素イオン）伝導を行うものであり、水素イオン伝導性とガスバリア性とを併せ持つものであればよい。したがって、電解質膜１は、パーフルオロスルホン酸樹脂膜に限定されない。

電解質膜１は、例えば、イオン交換性フッ素系樹脂膜、またはイオン交換性炭化水素系樹脂膜が例示される。イオン交換樹脂のイオン交換容量は０．９以上２．０以下ミリ当量／ｇ乾燥樹脂であることが好ましい。

イオン交換容量が０．９ミリ当量／ｇ乾燥樹脂以上であると、高い水素イオン伝導性を得やすく、イオン交換容量が２．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂以下であると、含水による樹脂の膨潤が抑制され、電解質膜１の寸法変化が抑えられるため好ましい。

また、電解質膜１の膜厚は、５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。膜厚が５μｍ以上であると、高いガスバリア性を得られ、５０μｍ以下であると、高い水素イオン伝導性を得られる。

実施の形態１では、アノードガス拡散層４ａおよびカソードガス拡散層４ｃの一例として、基材およびコーティング層の２層を含む構成とし、基材として、カーボンペーパーを用いた。基材は、導電性、ならびに気体および液体の透過性に優れた材料であればよい。したがって、基材は、カーボンペーパーに限定されない。

カーボンペーパー以外の基材の材料としては、炭素繊維クロス、炭素繊維フェルト等の多孔質性材料が例示される。

実施の形態１では、第１の導電性材料１０ａと第２の導電性材料１０ｂの合計重量に占める第２の導電性材料１０ｂの重量の割合Ｘが、第１の触媒層１１ａにおいて０．０５であり、第２の触媒層１１ｂにおいて０．３であった。第１の触媒層１１ａにおける割合Ｘが０．０１以上、第２の触媒層１１ｂにおけるＸが０．９以下であった場合も同様の効果を有する。

実施の形態１では、第１の導電性材料１０ａとしてメソポーラスカーボンを用い、第２の導電性材料１０ｂとしてカーボンブラックを用いたが、それらに限定されない。

第１の導電性材料１０ａと第２の導電性材料１０ｂの材料としては、例えば、ケッチェンブラック（登録商標）やアセチレンブラック、バルカン（登録商標）といった炭素系材料、ＡｕやＮｉなどの金属材料、チタン、スズ、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、シリコン等の金属酸化物材料、およびそれらの複合体材料が挙げられる。

第１の導電性材料１０ａとしてメソポーラス材料を用いる場合は、メソポーラス材料は触媒１２を担持する前において、メソ孔１５のモード径が１～５０ｎｍであり、メソ孔１５の細孔容積が１．０～３．０ｃｍ^３／ｇであってもよい。

メソ孔１５の細孔容積が１．０ｃｍ^３／ｇ以上であれば、メソポーラス材料の内部に多くの触媒１２を担持でき、３．０ｃｍ^３／ｇ以下であれば、メソポーラス材料の構造体としての強度が高まる。

また、メソポーラス材料はモード径が２００～１０００ｎｍとなるように構成されていてもよい。モード径が２００ｎｍ以上であれば、アイオノマ１３がメソ孔１５に侵入する領域が、メソ孔１５の細孔容積に対して小さくなるので、アイオノマ１３による被毒の影響を受ける触媒１２の割合が小さくなる。

このため、モード径を２００ｎｍ以上とすることで、触媒活性を向上させることができると考えられる。また、モード径が１０００ｎｍ以下であれば、メソポーラス材料の内部に担持された触媒にまで反応ガスが供給されやすくなる。

実施の形態１では、触媒１２の一例として、白金を含む合金を用いた。触媒１２としては、水素ガス又は酸素ガスの触媒作用を有するのであれば特に限定されない。

触媒１２の材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナ ジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）及び
アルミニウム（Ａｌ）等の金属、これら金属の混合物、合金等が挙げられるが、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性等を向上させる観点から、白金、白金を含む混合物又は合金が好ましい。

触媒１２が合金からなる場合、合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を３０～９０原子％とし、その他の金属の含有量を１０～７０原子％とすることができる。触媒１２のモード径は、特に限定されないが、触媒利用率及び触媒担持材料での担持性の向上の観点からは、好ましくは１～３０ｎｍである。メソポーラス材料のメソ孔１５内に担持する場合にはメソ孔のモード径よりも小さなモード径が好ましい。

実施の形態１では、電解質膜１が水素イオン伝導性膜で、本開示の触媒層をカソード触媒層３ｃに用いた燃料電池セル７を説明したが、水酸化物イオン伝導性膜を電解質膜に用いた燃料電池セルでは、本開示の触媒層をアノード触媒層に用いることが好ましい。

水酸化物イオン伝導性膜を電解質膜に用いた燃料電池セルでは、水素が供給されるアノード触媒層において、（化３）に示す反応が起こり、酸素が供給されるカソード触媒層において、（化４）に示す反応が起こる。

水酸化物イオン伝導性膜を電解質膜に用いた燃料電池セルでは、アノード触媒層において、水が生成されるため、アノード触媒層において、生成した水を効率よく排水することが求められ、アノード触媒層の排水性向上が性能向上に必要となるが、本開示の触媒層をアノード触媒層に用いることにより、アノード触媒層が優れた排水性と高い導電性を持つことから燃料電池セルの性能を向上させることができる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、優れた排水性と高い導電性を持つ触媒層を提供することができ、燃料電池の触媒層に適用可能である。

１ 電解質膜
２ａ アノード
２ｃ カソード
３ａ アノード触媒層
３ｃ カソード触媒層
４ａ アノードガス拡散層
４ｃ カソードガス拡散層
５ａ アノードセパレータ
５ｃ カソードセパレータ
６ 電解質膜－電極接合体
７ 燃料電池セル
１０ａ 第１の導電性材料
１０ｂ 第２の導電性材料
１１ａ 第１の触媒層
１１ｂ 第２の触媒層
１２ 触媒
１３ アイオノマ
１４ メソポーラス材料
１５ メソ孔

Claims (5)

1. 燃料電池のガス拡散層と電解質膜の間に介在する触媒層であって、
   前記触媒層は、前記ガス拡散層に隣接する第１の触媒層と、前記電解質膜に隣接する第２の触媒層と、を有し、
   前記第１の触媒層と前記第２の触媒層は、それぞれ、第１の導電性材料と、前記第１の導電性材料と比較してモード径が小さい第２の導電性材料と、前記第１の導電性材料と前記第２の導電性材料の少なくとも一方に担持された触媒と、を含み、
   前記第１の触媒層は、前記第２の触媒層よりも、前記第１の導電性材料と前記第２の導電性材料の合計重量に占める前記第２の導電性材料の重量の割合が小さいことを特徴とする、触媒層。
2. 前記第２の導電性材料のモード径が、前記第１の導電性材料のモード径の２２％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の触媒層。
3. 前記第１の導電性材料の少なくとも一部を被覆するアイオノマを、さらに備え、
   前記第１の導電性材料は、内部にモード径が１～５０ｎｍのメソ孔を有するメソポーラス材料であり、
   少なくとも一部の前記触媒は、前記メソ孔に担持されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の触媒層。
4. 前記第２の導電性材料が、導電性炭素材料であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の触媒層。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の触媒層を、発電時に水が生成される側の電極の触媒層に用いたことを特徴とする、燃料電池。

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