[发明专利]制造燃料电池电极的方法和具有燃料电池电极的聚合物电解质燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及制造燃料电池电极的方法和具有燃料电池电极的聚合物电解质燃料电池。

背景技术

具有聚合物电解质膜的聚合物电解质燃料电池的尺寸和重量容易降低。因此，越来越期望将其作为能源实际应用于运动车辆，例如电动车辆，和用于小型热电联合系统。

在聚合物电解质燃料电池的阳极和阴极的催化剂层内的电极反应在三相界面(下文称作反应点)处进行，在三相界面同时存在反应气体、催化剂和含氟离子交换树脂(电解质)。因此，在聚合物电解质燃料电池中，催化剂层通常由下述催化剂制成：该催化剂涂有与聚合物电解质膜的含氟离子交换树脂类型相同或不同的含氟离子交换树脂，例如负载金属的碳，例如由具有大比表面积的炭黑载体构成的，该炭黑载体负载金属催化剂，例如铂。

如上所述，在同时存在分别包含催化剂、碳粒子和电解质的三相的阳极处生成质子和电子。也就是说，传导质子的电解质和传导电子的碳粒子共存，且氢气由于存在催化剂而减少。因此，当碳粒子负载较大量的催化剂时，可以获得较高的发电效率。这同样适用于阴极。但是，燃料电池中所用的催化剂是贵金属，例如铂。因此，当负载在碳粒子上的催化剂的量增加时，燃料电池生产成本也提高，这是成问题的。

根据制造催化剂层的传统方法，将电解质，例如Nafion(商品名)，和铂/碳等的催化剂粉末分散在溶剂中，并浇注由此获得的油墨，然后脱水。所得催化剂粉末通常具有数纳米至数十纳米大小的孔。因此，电解质——其是具有大分子尺寸的聚合物——不能进入这类纳米级孔。在这种情况下，估计电解质仅覆盖催化剂表面。相应地，铂在位于孔内时不能有效地利用，从而造成催化剂性能下降。

日本专利公开(Kokai)2002-373662 A公开了制造燃料电池电极的方法，其旨在改进发电效率而不提高负载在碳粒子上的催化剂量。根据该方法，通过将表面上负载有催化剂粒子的粒子与离子传导性聚合物混合而获得电极糊，用含有催化金属离子的溶液处理该电极糊，该催化金属离子用于在离子传导性聚合物上的离子交换，且催化金属离子减少。

此外，日本专利公开(Kokai)6-271687 A(1994)公开了制造离子交换膜的方法，其旨在制造具有足够热稳定性和耐化学性且没有缺陷的离子交换膜。根据该方法，将包含氟聚合物的基底浸在可聚合单体中以使单体负载在聚合物上，可聚合单体在第一步骤中通过用离子化辐射进行照射来部分进行反应，未反应的单体在第二步骤中通过在聚合引发剂存在下加热来聚合，并根据需要在其中引入离子交换基团。在照射剂量方面，第一步骤中的剂量确定为特定剂量。

发明内容

但是，即使进行专利文献1中所述的处理，发电效率的可能改进也是有限的。这是因为，负载催化剂的碳具有纳米级尺寸的孔，聚合物之类的大分子不能进入，以致吸附到这类孔上的催化剂(例如铂)不能在上述三相界面(反应点)发挥作用。如上所述，聚合物电解质不能进入碳孔，这是成问题的。

此外，专利文献2中所公开的方法涉及制造离子交换膜的方法。当进行该方法时，不容易进行例如辐射操作。

考虑现有技术的上述问题，作出了本发明。本发明的目的是确保在碳载体上充分存在反应气体、催化剂和电解质会合的三相界面，以改进催化剂效率。因而，电极反应可以有效地进行，从而改进了燃料电池的发电效率。此外，本发明的另一目的是提供具有优异性能的电极和包含能够产生高电池输出的电极的聚合物电解质燃料电池。此外，本发明的应用不限于聚合物电解质燃料电池，因此本发明可用于与碳载体一起使用的各种催化剂。

本发明的发明人已经发现，使用下述催化剂糊可以实现上述目的：其中制备各自具有纳米级孔(其中已经原位产生聚合物电解质)的碳载体而获得催化剂粉末，使该催化剂粉末与具有磺酸基团的全氟化碳聚合物，例如Nafion(商品名)混合。由此完成本发明。

也就是说，在第一方面，本发明涉及制造燃料电池电极的方法，包括下列步骤：(1)使具有孔的碳载体负载催化剂；(2)将充当聚合引发剂的官能团引入具有孔的碳载体的表面上和/或孔内；(3)引入单体电解质或单体电解质前体，以使用该聚合引发剂作为引发点使所述单体电解质或单体电解质前体聚合；(4)使负载催化剂的载体上的聚合物质子化；(5)将质子化产物脱水并将其分散在水中；(6)对该分散产品施以过滤处理；和(7)用所得催化剂粉末制备催化剂糊，并将该催化剂糊成型为给定形状以制造催化剂层；其特征在于当使用在上述(6)中获得的催化剂粉末制造催化剂层时，将具有磺酸基团的全氟化碳聚合物与该催化剂糊混合。