[发明专利]固体高分子燃料电池与制造固体高分子燃料电池用MEA的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体高分子燃料电池和制造固体高分子燃料电池用MEA的方法。

背景技术

具有高分子电解质膜的固体高分子燃料电池的尺寸和重量可容易地得到减小。因此，其作为小尺寸废能发电系统或电气车辆等汽车的电源的实际可用性受到期待。

固体高分子燃料电池的阳极触媒层与阴极触媒层中的电极反应在反应气体、触媒和含有氟的离子交换树脂(即电解质)会合的三相界面(下面称为“反应位置”)中进行。因此，例如支撑金属的碳触媒等触媒(其在具有大的比表面积的炭黑载体上支撑例如铂等触媒金属，并涂敷有与高分子电解质膜相同或不同的含有氟的离子交换树脂)已被用作固体高分子燃料电池的触媒层的构成材料。

因此，阳极中发生的质子与电子生成在触媒、碳颗粒和电解质三相共存的情况下进行。特别地，在存在质子传导的电解质、电子传导的碳颗粒以及触媒的情况下还原出氢气。因此，发电效率随着碳颗粒上支撑的触媒量的增大而增大。这一点对阴极同样适用。由于用于燃料电池的触媒为铂等贵金属，增加的支撑在碳颗粒上的触媒的量不利地增大了制造燃料电池的成本。

根据用于制造触媒层的传统方法，对含有分散在溶剂中的铂、碳等的触媒粉末以及等电解质的墨水进行浇铸(cast)和干燥。由于触媒粉末为几nm到几十nm，触媒粉末深深渗透到碳载体孔之中。相反，电解质高分子的分子大且聚合(aggregated)，因此，推断为电解质高分子不能渗透到纳米尺寸的孔之中，且仅仅覆盖触媒表面。因此，孔中的铂没有与电解质高分子充分接触，且其不能得到有效利用，这不利地使得触媒性能劣化。

JP特开(kokai)No.2002-373662A公开了一种制造燃料电池电极的方法，其中，出于在不增大支撑在碳颗粒上的触媒量的情况下改善发电效率的目的，电极膏体——其包含与离子传导高分子混合的含有支撑在表面上的触媒颗粒的触媒支撑颗粒——用含有触媒金属离子的溶液进行处理，以便将触媒金属离子离子转换为离子传导高分子，并接着还原触媒金属离子。

WO2002/075831公开了一种固体高分子电解质-触媒复合电极，该电极用支撑固体高分子电解质与触媒金属的碳颗粒构成。固体高分子燃料电池电极包含作为单层碳纳米角集合体的碳颗粒，其中，用在一端具有锥形形状的特异结构的单层碳纳米管制成的单层碳纳米角被聚集为球，并且，公开了出于改进燃料电池用触媒电极的触媒使用效率的目的而使用该电极的固体高分子燃料电池。

WO2002/075831包含这样的陈述：碳纳米角...当集合体被用作碳物质以构成固体高分子电解质-触媒复合电极时，可提供通过将多个集合体进行聚集获得的二级集合体。各自具有几nm到几十nm的尺寸的孔在二级集合体之间存在。因此，复合电极将具有多孔结构。孔有效地有助于氢和氧等反应气体的通道。当二级集合体形成时，触媒材料可被带到二级集合体的内部，固体高分子电极可渗透到二级集合体之中，由此提供优越的触媒效率”。该文献也包含这样的陈述，“至少一部分碳分子集合体或碳纳米角集合体10具不完整的部分。术语“不完整的部分”在这里意味着断裂的结构部分。例如，六元环(six-member ring)中的碳-碳键部分被切断，或者其中的碳原子丢失，这构成了碳分子或碳纳米角5。可形成与其他类型的分子的键或空位(vacancy)。上面提到的不完整部分可以很大并扩展到这样的程度：其被称为碳六元环中的洞(hole)。其中的每一个在这里被称为“孔(pore)”。孔可具有大约0.3到5nm的直径但不限于此，但对孔直径不做特别限制。”

另外，日本特开(kokai)No.2004-152489A公开了这样的发明：出于改善燃料电池用触媒电极的触媒效率的目的，碳纳米角集合体被用作触媒支撑碳颗粒的触媒层中使用的碳材料，金属盐的溶液以及碳纳米角集合体被混合，添加还原剂并通过搅拌进行混合，触媒金属被支撑在碳纳米角集合体的表面上，并在低温下进行还原处理，以便调节触媒金属的颗粒直径。

发明内容

即使进行日本特开(kokai)No.2002-373662A中公开的处理，发电效率的改善是有限的。这是因为支撑触媒的碳具有纳米尺寸的孔，高分子电解质——即高分子集合体——不能渗透到其中，被吸收到这种孔的深部的铂触媒等等不能作为三相界面，即反应位置。因此，电解质高分子不能渗透到碳孔之中的事实是所关心的问题。