[發(fā)明專(zhuān)利]催化劑顆粒、催化劑油墨、燃料電池用電極催化劑層、膜電極組合件、聚合物電解質(zhì)燃料電池及制備催化劑顆粒和催化劑油墨的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201280049882.X
• 申請(qǐng)日: 2012-10-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103858261B
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 岡田早織
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 凸版印刷株式會(huì)社
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/86
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 上海和躍知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31239
• 代理人: 胡艷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的技術(shù)涉及催化劑顆粒、催化劑油墨、用于燃料電池的電極催化劑層、膜電極組合件及聚合物電解質(zhì)燃料電池。本發(fā)明進(jìn)一步涉及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及使用包含支撐催化劑材料的碳顆粒的催化劑顆粒制造催化劑油墨及電極催化劑層的方法。

背景技術(shù)

具有聚合物電解質(zhì)膜作為離子導(dǎo)體的聚合物電解質(zhì)燃料電池作為一種類(lèi)型的將原材料氣體的反應(yīng)能直接轉(zhuǎn)化成電能的燃料電池是已知的。聚合物電解質(zhì)燃料電池由于其與其它燃料電池相比較短的啟動(dòng)時(shí)間及其在常溫下操作的能力而有希望作為汽車(chē)、鐵路、廢熱發(fā)電系統(tǒng)等的能源。

盡管此類(lèi)聚合物電解質(zhì)燃料電池如上文所述就啟動(dòng)時(shí)間及操作溫度來(lái)說(shuō)是出色的，但有待進(jìn)一步落實(shí)的問(wèn)題是發(fā)電效率較低。因此，已經(jīng)在聚合物電解質(zhì)燃料電池的制造技術(shù)中按照慣例地提出各種增加輸出電壓的建議。例如，在專(zhuān)利文件1中公開(kāi)的技術(shù)中，在制造用于形成電極催化劑層的催化劑油墨期間，將含有離聚物的溶液的相對(duì)介電常數(shù)控制在預(yù)定范圍內(nèi)。這意在增加催化劑顆粒的離聚物覆蓋率。換句話(huà)說(shuō)，意在增加作為支撐催化劑材料的碳的支撐性碳材料的離聚物覆蓋率。由于電極催化劑層中的支撐性碳材料及離聚物的均勻性增加，所以膜電極組合件中的催化劑顆粒的利用效率增加，因此預(yù)期聚合物電解質(zhì)燃料電池的輸出電壓會(huì)增加。

背景技術(shù)文件

專(zhuān)利文件

專(zhuān)利文件1：日本特許公開(kāi)第2010-257929號(hào)

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明打算解決的問(wèn)題

在專(zhuān)利文件1中公開(kāi)的具體技術(shù)中，分別制備分散有催化劑顆粒的分散液及具有30或更大的相對(duì)介電常數(shù)的離聚物溶液。隨后將分散液與離聚物溶液彼此摻和以便形成混合物液體。向混合物液體中添加具有20或更小的相對(duì)介電常數(shù)的分散介質(zhì)。這意在防止離聚物的聚集及凝膠化，以使溶液的粘度升高到產(chǎn)生電極催化劑層所需要的粘度。換句話(huà)說(shuō)，實(shí)施這些步驟意在增加催化劑油墨中的催化劑顆粒的離聚物覆蓋率。

然而，在向混合物液體中添加具有20或更小的相對(duì)介電常數(shù)的分散介質(zhì)以防止離聚物聚集或凝膠化的步驟中，只要分散介質(zhì)非均勻地添加到混合物液體中，就會(huì)在局部以不小的程度發(fā)生離聚物的聚集或凝膠化。首先，以不造成離聚物凝膠化或聚集的程度向混合物液體中均勻地添加分散介質(zhì)較為困難。簡(jiǎn)而言之，為增加聚合物電解質(zhì)燃料電池的輸出電壓，甚至在上述技術(shù)中也仍然存在改進(jìn)的空間。

本發(fā)明的目的是增加聚合物電解質(zhì)燃料電池的輸出電壓。

解決問(wèn)題的方法

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供制造催化劑顆粒的方法，所述方法包括使作為支撐催化劑材料的碳顆粒的催化劑顆粒暴露于增濕氣氛，隨后將碳顆粒及聚合物電解質(zhì)分散于催化劑油墨的溶劑中。

根據(jù)上述方面，在摻和支撐催化劑材料的碳顆粒與聚合物電解質(zhì)之前，使碳顆粒暴露于增濕氣氛。因此，與碳顆粒未經(jīng)歷所述增濕的情況相比，碳顆粒的表面與聚合物電解質(zhì)之間的親和力增強(qiáng)。在具有支撐催化劑材料的碳顆粒及分散的聚合物電解質(zhì)的催化劑油墨中，碳顆粒及聚合物電解質(zhì)的均勻性由此增加。因此，電極催化劑層中的催化劑材料的利用效率增加。而且，具有通過(guò)所述制造方法制造的電極催化劑層的聚合物電解質(zhì)燃料電池能夠具有增加的輸出電壓。

在本發(fā)明的一個(gè)形式中，制造方法進(jìn)一步包括在使碳顆粒暴露于增濕氣氛之前使碳顆粒支撐催化劑材料。

在電極催化劑層的制造中，在一些情況下，在摻和支撐催化劑材料的碳顆粒(即催化劑顆粒)與聚合物電解質(zhì)之前，可加熱處理碳顆粒。例如，為使催化劑材料支撐于碳顆粒上，在一些情況下，可通過(guò)將含有催化劑材料及碳顆粒的溶液蒸發(fā)到干燥將催化劑材料沉積于碳顆粒的表面上。在增濕后支撐催化劑材料的情況下，增濕后的催化劑顆粒的水含量因蒸發(fā)到干燥期間的加熱而降低。因此，與例如使用碳顆粒支撐催化劑材料之后增濕的方法的情況相比，增濕效應(yīng)降低。

在這點(diǎn)上，根據(jù)上述方面，在碳顆粒支撐催化劑材料后增濕催化劑顆粒(碳顆粒)。因此，甚至在支撐催化劑材料時(shí)加熱碳顆粒的情況下，碳顆粒的增濕效應(yīng)也幾乎不降低。在支撐催化劑材料的過(guò)程中加熱碳顆粒的情況下，首先，與例如不加熱碳顆粒的情況相比，催化劑顆粒的水含量較低。因此，上述增濕優(yōu)勢(shì)得以更明顯地展現(xiàn)。

在本發(fā)明的一個(gè)形式中，制造方法進(jìn)一步包括在將碳顆粒添加到溶劑中之前使碳顆粒的溫度保持低于增濕氣氛的溫度。