[發(fā)明專利]催化劑層、膜電極組件以及電化學(xué)電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210061885.7
• 申請日: 2012-03-09
• 公開（公告）號: CN102709574A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 梅武;深澤大志;赤坂芳浩
• 申請（專利權(quán)）人: 株式會社東芝
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/86
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 張海濤;于輝

引用的相關(guān)申請

本申請基于之前于2011年3月28日提交的日本專利申請No.2011-069148，并要求其優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其全部內(nèi)容通過援引加入本申請文件中。

技術(shù)領(lǐng)域

實(shí)施方案主要涉及催化劑層、膜電極組件及電化學(xué)電池。

背景技術(shù)

諸如聚合物電解質(zhì)電化學(xué)電池的電化學(xué)電池已經(jīng)在燃料電池、水電解等領(lǐng)域得到了廣泛的研究。

在這些電化學(xué)電池中，例如燃料電池是一種諸如氫的燃料與諸如氧的氧化劑進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的系統(tǒng)。其中，與其他燃料電池相比，聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)可在低溫下操作，其反應(yīng)產(chǎn)物是水，從而降低環(huán)境負(fù)荷。因此，已經(jīng)開發(fā)這種電池并提供到實(shí)際使用中作為家喻戶曉的固定電源，且進(jìn)一步作為汽車的動力源。這種聚合物電解質(zhì)燃料電池具有膜電極組件(MEA)，該膜電極組件主要包括一個具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的聚電解質(zhì)膜和兩個電極，即要供給氫的燃料電極(陽極)和要供給空氣的空氣電極(陰極)，這兩個電極夾在所述膜中間。

對于聚合物電解質(zhì)燃料電池中使用的每個電極的催化劑層來說，通常采用碳載催化劑控制催化劑層中的孔隙并抑制催化劑結(jié)塊。

已經(jīng)研究了漿法、濺射法或氣相沉積法以提供催化劑層。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了對電化學(xué)電池的膜電極組件中的電極的催化劑材料在耐用性和使用效率方面的改善，特別是在循環(huán)耐用性方面。

實(shí)施方案中的催化劑層包括層狀結(jié)構(gòu)。所述層狀結(jié)構(gòu)包括層壓結(jié)構(gòu)。所述層壓結(jié)構(gòu)包括片狀單元催化劑和孔隙層。所述片狀單元催化劑的平均厚度為4至30納米。所述孔隙層夾在所述片狀單元催化劑之間。

附圖說明

在閱讀下面的詳細(xì)說明以及參考附圖后，本申請所公開的方面將變得顯而易見。

圖1是顯示第一個實(shí)施方案的催化劑層的SEM圖像。

圖2是顯示所述催化劑層的部分放大截面的TEM圖像。

圖3是顯示傳統(tǒng)粒狀催化劑放大部分的SEM圖像。

圖4是放大催化劑層部分截面的SEM圖像。

圖5A至5C是顯示催化劑層制備步驟的圖。

圖6是形成作為典型單元的催化劑層的截面SEM圖像。

圖7是示意性地顯示包括第一個實(shí)施方案的催化劑層的膜電極組件的剖面圖。

圖8是顯示耐用性試驗(yàn)電壓變化的圖。

發(fā)明詳述

另一個實(shí)施方案的催化劑層，包括在片狀單元催化劑的厚度方向上層壓的片狀單元催化劑的層壓結(jié)構(gòu)。

另一個實(shí)施方案的膜電極組件包括催化劑層。

另一個實(shí)施方案的電化學(xué)電池，包括膜電極組件。

在下文中，將參考附圖對實(shí)施方案進(jìn)行說明。

第一實(shí)施方案

當(dāng)在車輛上使用諸如聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)的電化學(xué)電池時，用于催化劑層中的碳載催化劑的碳載體由于車輛的啟動和停止而嚴(yán)重腐蝕，從而加速了在催化劑層以及膜電極組件中的進(jìn)一步惡化。因此，要求改善催化劑層，從而提高耐用性，特別是循環(huán)耐用性。

為改善催化劑層，已研究了經(jīng)濺射或氣相沉積形成的催化劑層和使用催化劑形成的電極，從而達(dá)到比使用常規(guī)的碳載催化劑的催化劑層更高的耐用性。例如，作為經(jīng)濺射形成催化劑層的方法，已經(jīng)研究了將鉑催化劑材料濺射到晶須基材上而形成無碳催化劑層。該方法具有耐用性高和催化劑用量少的優(yōu)點(diǎn)。然而，鉑催化劑塊達(dá)到數(shù)十納米的大小，因此需要改善催化劑材料的使用效率。

此外，已經(jīng)研究了在催化劑層內(nèi)形成孔隙。孔隙通過使用與成孔材料混合的催化劑材料形成催化劑層，隨后通過溶解去除成孔材料而形成。近年來，已經(jīng)對層壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。該層壓結(jié)構(gòu)包括催化劑聚集層和孔隙層。該層壓結(jié)構(gòu)通過經(jīng)濺射依次沉積混合層和成孔材料層而形成。該混合層包括催化劑材料和成孔材料。該層壓結(jié)構(gòu)通過溶解去除所得混合層和成孔材料層內(nèi)的成孔材料而形成，從而使催化劑的使用效率高。然而，耐用性等還不夠。需要進(jìn)一步改善耐用性。

為了提高在電化學(xué)電池的膜電極組件(MEA)的電極中催化劑層的催化劑材料的使用效率和耐用性，本發(fā)明人致力于這些研究并得到了以下用于控制催化劑層精細(xì)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)實(shí)施方案，催化劑層包括層壓結(jié)構(gòu)，其中具有平均厚度4到30nm的片狀單元催化劑被層壓，孔隙層分別在片狀單元催化劑之間。

必須指出，在實(shí)施方案中，所述片狀單元催化劑和孔隙層統(tǒng)稱為催化劑層。片狀單元催化劑包括在電化學(xué)電池MEA的整個電極內(nèi)。