[發明專利]催化劑層、其制備方法、使用所述催化劑層的膜電極組件和固體聚合物燃料電池

有效

• 申請號: 200880004458.7
• 申請日: 2008-01-23
• 公開（公告）號: CN101652887A
• 公開（公告）日: 2010-02-17
• 發明（設計）人: 中井慎二;久保敬次;大木弘之;小野友裕
• 申請（專利權）人: 株式會社可樂麗
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/10
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 楊海榮;穆德駿

技術領域

本發明涉及催化劑層及其制備方法以及使用所述催化劑層的膜電 極組件和聚合物電解質燃料電池。

背景技術

近年來，作為對地球環境溫和并且清潔的發電系統，燃料電池已 經引起了注意。根據電解質的種類，將燃料電池分類為磷酸型、熔融 碳酸鹽型、固體氧化物型、聚合物電解質型等。其中，從在低溫下的 可用性、小型化和輕量化等的觀點來看，嘗試將聚合物電解質燃料電 池用作電動汽車的電源、便攜設備的電源，并且還用于同時利用電和 熱的家用熱電聯產系統。

聚合物電解質燃料電池一般構成如下。首先，在具有離子傳導性 (所述離子通常為質子)的聚合物電解質膜的兩側分別形成催化劑層，所 述催化劑層包括負載于碳粉末上的鉑族金屬催化劑和包括聚合物電解 質的離子傳導性粘合劑。在催化劑層的外側，分別形成燃料氣體和氧 化劑氣體可以穿過的作為多孔材料的氣體擴散層。使用碳紙、碳布等 作為氣體擴散層。催化劑層和氣體擴散層的集成組合稱為氣體擴散電 極，將一對氣體擴散電極結合到電解質膜上以使催化劑層可以分別面 對電解質膜的結構稱為膜電極組件(MEA)。在膜電極組件的兩側，均布 置了具有導電性和氣密性的隔膜。在膜電極組件與隔膜的接觸部分或 者在隔膜的內部分別形成將燃料氣體或者氧化劑氣體(如空氣)供給到 電極表面上的氣體通道。通過將燃料氣體如氫氣或甲醇供給到一個電 極(燃料電極)上并將包含氧的氧化劑氣體如空氣供給到另一個電極(氧 電極)上，開始發電。也就是，燃料氣體在燃料電極上電離形成質子和 電子，質子穿過電解質膜并傳送到氧電極上，電子經由通過連接兩個 電極形成的外部電路傳送到氧電極內，它們與氧化劑氣體反應形成水。 因此，燃料氣體的化學能直接轉化成可以輸出的電能。

而且，除了這樣的質子交換型燃料電池外，還研究了使用陰離子 傳導性膜和陰離子傳導性粘合劑(所述陰離子通常是氫氧根離子)的陰 離子交換型燃料電池。在這種情況下，聚合物電解質燃料電池的構造 基本上與質子交換型燃料電池相同，除了分別使用陰離子傳導性膜和 陰離子傳導性粘合劑代替質子傳導性膜和質子傳導性粘合劑。關于產 生電能的機理，氧、水和電子在氧電極上反應形成氫氧根離子，氫氧 根離子穿過陰離子傳導性膜，并在燃料電極上與氫反應形成水和電子， 電子經由通過連接兩個電極形成的外部電路傳送到氧電極內，并再次 與氧和水反應形成氫氧根離子。因此，燃料氣體的化學能直接轉化成 能夠輸出的電能。

上面的電極反應發生在由作為燃料氣體或氧化劑氣體的供給通道 的氣相、作為離子通道的液相和作為電子通道的固相形成的三相界面 上。離子傳導性粘合劑被用于粘合催化劑并通過作為質子或氫氧根離 子從催化劑層向電解質膜的傳送的媒介而提高催化劑的使用效率的目 的。因此，沒有與由離子傳導性粘合劑形成的離子通道接觸的催化劑 粒子不能參與三相界面的形成，這些粒子難以有助于反應。而且，為 了得到高效率，用于擴散燃料氣體或者氧化劑氣體的包括孔隙結構的 催化劑層的微小結構設計、催化劑的分散狀態等就變得重要。而且， 在氣體擴散電極部分，出現了這樣的情況，其中催化劑表面被反應氣 體所包含的水或者在氧電極或燃料電極上形成的水覆蓋，并且燃料氣 體或氧化劑氣體不能與催化劑表面接觸，結果停止了發電；或者存在 這樣的情況，其中這些水妨礙燃料氣體或者氧化劑氣體被供給或者排 出，從而使電極反應停止。因此，要求氣體擴散電極部分具有防水性。

關于氣體擴散電極和電解質膜的結合，已知這樣的方法，其中通 過熱壓進行結合。此外，已知這樣的方法，其中為了獲得良好的結合 強度和良好的電連接狀態，將離子傳導性粘合劑用作氣體擴散電極與 電解質膜之間的粘合劑樹脂以增強粘著。在這樣的應用中，通常使用 溶液狀態的離子傳導性粘合劑。