[發明專利]燃料電池的電極催化劑

有效

• 申請號: 201711296301.3
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN108232215B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 山本亨;永見哲夫;石橋一伸;田中洋充;細川洋一
• 申請（專利權）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 蔡勝有;冷永華

本發明提供了一種燃料電池的電極催化劑，其包含：負載有貴金屬的催化劑，所述負載有貴金屬的催化劑包含碳載體和負載于碳載體上的貴金屬；和對所述負載有貴金屬的催化劑改性的拒水性材料。所述碳載體為介孔碳，其中孔徑為2nm至5nm的孔的孔體積為2.1ml/g至2.4ml/g。所述拒水性材料的量相對于介孔碳和拒水性材料的總重量為3重量％至7重量％。

技術領域

本發明涉及燃料電池的電極催化劑。更具體而言，本發明涉及包含在用于各種電化學裝置如聚合物電解質燃料電池的膜電極組件中的電極催化劑。

背景技術

聚合物電解質燃料電池包含膜電極組件(下文也稱“MEA”)作為基本單元，膜電極組件包含固體聚合物電解質膜和分別與固體聚合物電解質膜的相對表面接合的電極。在聚合物電解質燃料電池中，電極通常具有包括擴散層和催化劑層的雙層結構。

擴散層為反應性氣體通過其供給到催化劑層并且其中發生電子交換的層。擴散層由多孔且電子傳導性的材料制成。催化劑層為其中由催化劑層中包含的電極催化劑引起電極反應的層。為了促進電極反應，需要其中三相(即電解質、催化劑和反應性氣體)共存的三相界面。因此，催化劑層通常由包含催化劑(這里，“催化劑”不僅指由其自身起作用的催化劑，還指負載于載體上的貴金屬催化劑(下文也稱“負載有貴金屬的催化劑“)等)和電解質的層構成，所述電解質含有與固體聚合物電解質膜的那些相同的組分。

為了將聚合物電解質燃料電池作為例如車載電源投入實際使用，存在一些需要解決的問題。

例如，每種固體聚合物電解質都需要水來實現質子傳導性。因此，聚合物電解質燃料電池通常采用以下方法。按照該方法，將待供給到電極的反應性氣體由輔機如水蒸氣發生器或霧發生器加濕，并通過控制濕度來調節固體聚合物電解質膜的水含量。然而，在其中反應性氣體由輔機加濕的情況下，如果燃料電池運行條件變為高濕條件，則電極內殘留過多的水。此外，在質子從燃料電極向著空氣電極移動通過電解質膜時，水也與質子一起向空氣電極移動。而且，水通過空氣電極中的電極反應而產生。如果水不加控制，則催化劑層中的三相界面被水堵塞，即發生所謂的“溢流(flooding)”。溢流可能導致催化劑層的氣體擴散性的下降，從而導致燃料電池功率密度的下降。

為了解決這些問題，已提出增強催化劑層的拒水性從而減少溢流的發生的方法。

例如，已提出以下方法(1)至(7)。

(1)向催化劑墨中添加聚四氟乙烯(下文也稱“PTFE”)懸浮體的方法(參見日本未經審查專利申請公開號04-264367第0013段)。

(2)向催化劑墨中添加其上負載有PTFE的炭黑的方法(參見Journal ofElectroanalytical Chemistry,第197卷,第195頁,(1986))。

(3)混合低分子量含氟溶劑與催化劑墨的方法(參見Journal of TechnicalDisclosure第2003-503533號,日本發明與創新研究所)。

(4)通過濺射沉積向電極粉末表面上附著氟碳化合物樹脂材料的方法(參見日本未經審查專利申請公開號10-270053)。

(5)在催化劑層與氣體擴散層之間設置包含表面完全被拒水性聚合物所包覆的導電性顆粒的拒水層的方法(參見日本未經審查專利申請公開號2005-294088)。

(6)在催化劑層中使用的導電性催化劑顆粒的表面上形成由拒水性材料制成的涂層的方法(參見日本未經審查專利申請公開號2007-209979)。

(7)用拒水性材料包覆包含催化劑層中使用的催化劑和陽離子交換樹脂的復合顆粒的表面并在被包覆顆粒之間形成具有規定尺寸的空隙的方法(參見日本未經審查專利申請公開號2007-149503)。

發明內容