[發明專利]燃料電池電極用催化劑層及其制造方法

有效

• 申請號: 201810153704.0
• 申請日: 2018-02-22
• 公開（公告）號: CN108461762B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 伊藤祐介;堀干裕;片岡干裕;山本憲司;堀合洸大朗;牧野裕輝
• 申請（專利權）人: 豐田自動車株式會社;株式會社科特拉
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 張智慧

本發明涉及燃料電池電極用催化劑層及其制造方法。該燃料電池電極用催化劑層含有金屬載持催化劑和氟樹脂系離聚物，該金屬載持催化劑包含碳載體和載持于上述碳載體的金屬催化劑，將碳載體的采用SEM測定時的一次粒徑、采用特定的方法測定的金屬載持催化劑的催化劑水浸pH值和氟樹脂系離聚物的重量與金屬載持催化劑的碳載體重量的比率代入特定的式中時得到的值為一定值以上。

技術領域

本發明涉及燃料電池電極用催化劑層及其制造方法。

背景技術

固體高分子型燃料電池以在固體高分子電解質膜的兩面接合電極而成的膜電極接合體(“燃料極-固體高分子電解質膜-空氣極”)(以下也稱為“MEA”)作為基本單元。一般地，在MEA的兩面進一步接合氣體擴散層，將其稱為膜電極氣體擴散層接合體(“氣體擴散層-MEA-氣體擴散層”)(以下也稱為“MEGA”)。

各電極由催化劑層形成，催化劑層是用于利用催化劑層中所含的電極催化劑使電極反應進行的層。為了進行電極反應，需要電解質、催化劑和反應氣體這三相共存的三相界面，因此催化劑層一般由含有催化劑(在此，催化劑不僅指單獨起作用的催化劑，而且也包含載持于載體的金屬催化劑(以下也稱為金屬載持催化劑)等的含義)和電解質的層構成。另外，氣體擴散層是用于進行向催化劑層的反應氣體的供給和電子的授受的層，使用多孔且具有電子傳導性的材料。

這樣的MEGA中，MEA與氣體擴散層的粘接強度可成為左右電極性能的主要因素，因此為了提高MEA與氣體擴散層的粘接強度、特別是剝離強度，進行了各種研究。

例如，在日本特開2013-93166中記載了催化劑墨，其為包含催化劑載持粒子和離聚物的電極制作用的催化劑墨，其控制了吸附于催化劑載持粒子的表面的吸附離聚物的量和未吸附于催化劑載持粒子的表面的未吸附(游離)離聚物的量，通過控制催化劑墨中的各離聚物的量，從而形成催化劑層表面的離聚物量增加了的催化劑層，其結果使MEA與氣體擴散層的剝離強度提高。

發明內容

但是，在日本特開2013-93166中記載的催化劑墨中，由于未吸附離聚物增加，因此被覆催化劑粒子表面的離聚物的量減少。其結果在燃料極生成的質子的傳導通路減少，最終引起電極的導電性的降低，進而引起電極的性能的降低。

本發明提供在沒有使未吸附離聚物的量增加的情況下能夠提高MEA與氣體擴散層的剝離強度的燃料電池電極用催化劑層及其制造方法。

本發明人對用于解決上述課題的手段進行了各種研究，結果發現：在含有包含碳載體和載持于上述碳載體的金屬催化劑的金屬載持催化劑、以及氟樹脂系離聚物的燃料電池電極用催化劑層中將碳載體的采用SEM測定時的一次粒徑(nm)、采用特定的方法測定的金屬載持催化劑的pH值和氟樹脂系離聚物的重量與金屬載持催化劑的碳載體重量的比率代入特定的式中時得到的值成為一定值以上的情況下，得到的燃料電池電極用催化劑層與氣體擴散層的剝離強度提高，完成了本發明。

本發明涉及燃料電池電極用催化劑層，其含有：包含碳載體和載持于上述碳載體的金屬催化劑的金屬載持催化劑、和氟樹脂系離聚物。在該催化劑層中，將碳載體的采用SEM測定時的一次粒徑設為D(nm)，將金屬載持催化劑0.5g懸浮于30ml的水中并攪拌了30分鐘后的懸浮液的pH值設為A，以及將氟樹脂系離聚物的重量設為I，將金屬載持催化劑的碳載體重量設為C時，滿足下式：

0.42×D-1.96×A+16×I/C≥18。