[发明专利]用于燃料电池的催化剂结构体，其制备方法，膜电极组件和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于固体聚合物型燃料电池的催化剂结构体、其制备方法、膜电极组件和燃料电池。

背景技术

日本专利申请公开2005-32668(JP-A-2005-32668)公开了一种燃料电池催化剂层，其由铂催化剂、由炭黑制成的电子导体和质子传导性聚合物构成。根据该燃料电池催化剂层，质子传导性聚合物设置在由炭黑形成的附聚体体内和附聚体体之间。

此外，日本专利申请公开2002-25560(JP-A-2002-25560)和日本专利申请公开2002-63912(JP-A-2002-63912)公开了具有碳粒子和质子传导性聚合物的催化剂层，在所述碳粒子上负载有催化剂金属。根据该催化剂层，聚合物已进入碳粒子附聚结构的孔内。

此外，日本专利申请公开2004-281305(P-A-2004-281305)公开了设有催化剂层和质子传导性聚合物的电极，所述催化剂层具有导电性碳粒子，该碳粒子上负载有催化剂金属。根据该电极，碳粒子的比表面积为200-1300m²/g，质子传导性聚合物包括其单位部分尺寸为5-100nm的第一质子传导性聚合物和其单位部分尺寸为100-1000nm的第二质子传导性聚合物。大尺寸的第二质子传导性聚合物由于其大的分子链长度和高的结晶度而不容易被液体材料溶胀，因此预计可抑制小尺寸的第一质子传导性聚合物洗脱。

发明内容

作为燃料电池，期望其发电量进一步提高。本发明的目的是提供一种有利于进一步提高发电量的用于燃料电池的催化剂结构体、该催化剂结构体的制备方法和膜电极组件以及燃料电池。

本发明的第一方面涉及用于燃料电池的催化剂结构体，其包括(i)附聚结构，在该附聚结构中，通过负载催化剂的碳的集聚而形成的各附聚体已聚集，从而形成孔，所述负载催化剂的碳中，催化剂负载在碳载体表面上；和(ii)与附聚体共存的质子传导性聚合物。质子传导性聚合物已经进入附聚结构的附聚体之间的孔中，并且该聚合物的平均厚度设为3-50nm。

本发明的第二方面涉及一种膜电极组件，其通过在厚度方向上依次堆叠燃料扩散元件、燃料催化剂层、具有质子传导性的聚合物的膜、氧化剂催化剂层和氧化剂扩散元件形成。燃料催化剂层和氧化剂催化剂层中至少之一包括第一方面的用于燃料电池的催化剂结构体。

本发明的第三方面涉及一种燃料电池，其包括：膜电极组件，其通过在平均厚度方向上依次堆叠燃料扩散元件、燃料催化剂层、由具有质子传导性的聚合物形成的膜、氧化剂催化剂层和氧化剂扩散元件而形成；燃料分配元件，其被设置为朝向膜电极组件的燃料扩散元件；以及氧化剂分配元件，其被设置为朝向膜电极组件的氧化剂扩散元件。燃料催化剂层和氧化剂催化剂层中至少之一包括根据本发明前述任一方面的用于燃料电池的催化剂结构体。

根据前述方面，具有质子传导性的聚合物(电解质)已经进入附聚体之间的孔中，并且附着到附聚体上。如果具有质子传导性的聚合物的平均厚度过大，则各孔的空间变小，由此可能出现缺陷，例如发电反应中所涉及的反应物流体(燃料或氧化剂流体)的通过特性下降，或水排放特性下降。因此，燃料电池的发电量可能下降。另一方面，如果聚合物的平均厚度过小，则聚合物可能发生破裂。因此，可能出现不能获得好的质子传导性的缺陷，并且燃料电池的发电量可能下降。如果聚合物的平均厚度在上述范围内，则抑制了上述缺陷的出现，并且燃料电池的发电量得到保持。

质子传导性聚合物的平均厚度可以按下面关系式确定：平均厚度t＝(质子传导性聚合物的体积)/(碳载体总表面积×α)。在该关系式中，α是附着系数，表示附着于碳载体全部表面区域的质子传导性聚合物的比率。如果α为1，则表示聚合物附着到碳微粒体的全面表面区域上。附着系数α可以是0.2-0.7、或0.3-0.6的值。

本发明的第四方面涉及制备用于燃料电池的催化剂结构体的方法。该制备方法包括：混合物形成步骤，形成其主要成分是负载催化剂的碳、质子传导性聚合物和液体材料的混合物，在所述负载催化剂的碳中，催化剂负载在碳载体表面上；以及进行下述各操作的超声搅拌步骤：向混合物施加超声振动的超声操作，将混合物冷却的冷却操作，以及搅拌混合物的搅拌操作，并且各操作进行至少一次。在这种情况下，因为附聚体的粉碎性质好，因此附聚结构中的孔的尺寸和存在于孔上的聚合物的厚度可以容易地设为较好的值。此外，在超声搅拌步骤中，超声操作、冷却操作和搅拌操作的顺序是任意的。