[发明专利]燃料电池膜电极组合件和其制造方法

说明书

发明背景

1.技术领域

本发明涉及燃料电池膜电极组合件和其制造方法。

2.相关技术的说明

通过对两个电连接的电极供给燃料和氧化剂并使得燃料电化学地 氧化，燃料电池直接将化学能转变为电能。不同于热电厂，燃料电池没 有卡诺循环的限制，因而表现出高的能量转换效率。通常，通过堆叠多 个单电池构成燃料电池，所述单电池具有作为基本结构的通过在一对电 极之间插入电解质膜形成的膜电极组合件。尤其是，由于引入固体聚合 物电解质膜作为电解质膜的固体聚合物电解质燃料电池容易小型化、可 在低温下运行等的优点，其正在引起注意，尤其是作为便携式能源或可 移动物体的能源。

在利用氢作为燃料、氧作为氧化剂的固体聚合物电解质燃料电池正 常发电期间，在燃料电极(阳极)进行式(1)的反应。

2H₂→4H⁺+4e^-...(1)

式(1)反应中产生的电子移动通过外电路，并在外部提供的载荷中 做功后到达氧化剂电极(阴极)。式(1)的反应中产生的质子在固体聚 合物电解质膜内以水合状态从燃料电极侧移动到氧化剂电极侧。

另一方面，在氧化剂电极进行式(2)的反应。

4H⁺+O₂+4e^-→2H₂O...(2)

即在整个电池中进行下列反应。

2H₂+O₂→2H₂O...(3)

为了加速式(1)或(2)的反应，每个电极，即燃料电极和氧化剂 电极设置有电极催化剂。通常，电极催化剂具有如下结构：其中在导电 材料例如碳颗粒等上负载催化活性物质，例如金属催化剂颗粒等，包括 例如铂、铂基合金等的颗粒。用作电极催化剂的金属催化剂例如铂等是 非常昂贵的。为了将燃料电池投入实际使用，需要开发改善催化剂的利 用率以在最小化需要使用的催化剂量的同时表现出优异的发电性能的 燃料电池。

改善金属催化剂利用率的方法的实例包括减小金属催化剂颗粒的 粒径。通过减小金属催化剂颗粒的粒径，在所用金属催化剂的量保持相 同时，金属催化剂的暴露表面积增加。如此，可以提高金属催化剂的利 用率。然而，小的金属催化剂颗粒难以分散，并且非常容易聚集。因此， 发现粒径的减小难于有效增加暴露的表面积。已知碳颗粒上负载的铂颗 粒的粒径通常为约2至3纳米。

在可以提供并接收反应物气体即燃料和氧化剂，即质子(H⁺)和电 子(e^-)的三相界面进行式(1)和式(2)的反应。即，重要的是将催 化活性物质布置为接近三相界面，以改善催化剂利用率。例如，日本专 利申请公开No.JP-A-2002-151088公开了一种有效形成进行电极反应的 反应位置的技术，并因此通过使用在包含含氟离子交换树脂和含氟化合 物溶剂的溶液中分散铂黑使得溶液的粘度是100至20000cP而制备的 催化剂墨，改善铂的利用率。

如上所述，通常以一定方式引入金属催化剂例如铂等，使得在导电 颗粒例如包括碳颗粒等的碳载体等上负载金属催化剂。使用该负载催化 剂的碳颗粒形成的催化剂层变为相应于碳颗粒总体高度(bulk height) 的厚层。大多数在催化剂层处发生的反应在电解质膜和催化剂层之间界 面附近存在的或在催化剂层和气体扩散层之间界面附近存在的金属催 化剂上进行。因此，在上述的厚催化剂层上，催化剂利用率倾向于非常 低，即有效有助于电极反应的金属催化剂的量是催化剂层中包含的催化 活性物质的量的1/3至1/2。这是因为在厚的催化剂层中，可能妨碍反 应物气体、质子和电子的扩散。

因此，在一些情况下，金属催化剂颗粒例如铂黑等未负载在载体(例 如碳颗粒等)上，而是简单地使用。然而，该无载体的金属催化剂颗粒 非常容易聚集，这取决于其粒径。因此，很难形成金属催化剂颗粒高度 分散的催化剂层。