[发明专利]催化剂粉末制备方法、催化剂粉末以及燃料电池中的催化剂层

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂粉末制备方法、催化剂粉末以及燃料电池中的催化剂层。

背景技术

通常，聚合物电解质燃料电池设置有包括电解质膜、形成在电解质膜上的催化剂层、以及形成在催化剂层上的气体扩散层的膜电极组件(以下称为“MEA”)。催化剂层包括电解质、以及诸如承载诸如铂的催化剂的碳的颗粒。在日本专利申请公开号10-189002(JP-A-10-189002)中描述了一种用于催化剂层的形成方法。根据JP-A-10-189002，通过混合催化剂承载颗粒、电解质以及溶剂而获得浆液。然后，通过使浆液喷雾干燥来制备催化剂颗粒(粉末)。然后，利用诸如乙醇的溶剂使催化剂粉末成为溶液，并将该溶液涂布在用作气体扩散层的碳纸上。最终，通过滤掉溶剂而形成催化剂层。

在上述燃料电池中，会发生所谓“溢流(flooding)”现象，即指因燃料电池中的电化学反应产生的水以及反应气体加湿水过度存在，从而妨碍了反应气体的扩散并劣化了发电性能的情况。此外，还会发生所谓“过干(dry-up)”现象，即指电解质膜中缺少水，从而导致发电性能劣化的情况。但是，根据JP-A-10-189002，并未能充分考虑在制备催化剂粉末时对燃料电池中的过干现象或溢流现象进行抑制。

发明内容

本发明提供了一种催化剂粉末制备方法，催化剂粉末以及对燃料电池中发生过干现象及溢流现象进行抑制的催化剂层。

根据本发明的第一方面的催化剂粉末的制备方法包括以下步骤：形成包含电解质、孔形成材料、以及承载催化剂的催化剂承载颗粒的混合物；利用所述混合物来制备复合粉末，在所述复合粉末中，所述催化剂承载颗粒以及所述电解质附着至所述孔形成材料的周围；通过将所述孔形成材料从所述复合粉末去除来制备具有中空结构的催化剂粉末。

在根据第一方面的催化剂粉末的制备方法中，通过去除存在于复合粉末颗粒中心的孔形成材料来制备催化剂粉末。因此，在采用该催化剂粉末的燃料电池中，在潮湿状态期间，水分保持在催化剂粉末中，由此可以抑制溢流现象的发生。另一方面，在干燥状态期间，保持在催化剂粉末内的水分被排出，由此可以抑制过干现象的发生。此外，相较于具有非中空结构的催化剂粉末，因为将催化剂粉末制成中空颗粒形式，故可以减少对高成本催化剂的使用，并可抑制燃料电池制造成本的上升。

在催化剂粉末的制备方法中，所述孔形成材料可具有在受热时升华为气体的特性；并且通过加热所述复合粉末通过升华作用来去除所述孔形成材料。

此外，所述混合物可形成为浆液，除了所述催化剂承载颗粒、所述电解质以及所述孔形成材料之外，所述浆液还可包含溶剂。此外，可通过喷雾干燥所述浆液来制备所述复合粉末。

可通过向所述催化剂承载颗粒、所述电解质以及所述孔形成材料提供机械能来制备其中所述催化剂承载颗粒以及所述电解质附着至所述孔形成材料的周围的所述复合粉末。

可通过压制所述催化剂承载颗粒、所述电解质以及所述孔形成材料来制备所述复合粉末。

所述孔形成材料在所述浆液中的重量比可处于0.1wt％至4.0wt％的范围内。

所述孔形成材料在所述浆液中的重量比可处于0.3wt％至2.0wt％的范围内。

在所述复合粉末中，所述孔形成材料的平均颗粒直径可大于所述催化剂承载颗粒以及所述电解质的平均颗粒直径。

所述孔形成材料的所述平均颗粒直径可大致为0.3至0.5μm。

所述孔形成材料可以是选自由樟脑、萘、α-萘酚以及对二氯苯构成的组中的至少一种。

根据本发明的第二方面的一种催化剂粉末包括：电解质；以及承载催化剂的催化剂承载颗粒，所述催化剂粉末具有中空结构。

根据本发明的第三方面的一种燃料电池中的催化剂层包含所述具有中空结构的催化剂粉末。

附图说明

参考附图，通过以下对示例性实施例的描述，可更加了解本发明的上述及其他特征及优点，类似的标号用于表示类似的元件，其中：

图1是示出作为本发明的实施例的催化剂粉末制备工艺的过程的流程图；

图2示意性地示出催化剂粉末制备工艺的过程；

图3示出了采用通过上述催化剂粉末制备工艺制备的催化剂粉末的燃料电池的总体结构；

图4A及图4B示意性地示出了水迁移进入及离开构成阴极侧催化剂层及阳极侧催化剂层的催化剂粉末；

图5示出了采用在本发明的示例中制备的催化剂粉末的燃料电池的I-V特性，以及对比示例的I-V特性；以及

图6示意性地示出了对比示例中的催化剂粉末的制备过程。

具体实施方式