[发明专利]电极催化剂层的制造方法、膜电极组件的制造方法及燃料电池的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及电极催化剂层的制造方法、膜电极组件的制造方法以及燃料电池的制造方法。

背景技术

一些燃料电池使用其中电极催化剂层被分别接合到电解质膜的两个表面的膜电极组件(MEA)。每个电极催化剂层包括载体以及电解质树脂，在载体上承载有催化剂。通过催化剂，在所谓的三相界面处发生电极反应。在三相界面处，气体通路、电解质树脂以及其上承载有催化剂的载体彼此接触。因此，希望催化剂位于三相界面处。此外，希望电解质树脂被均匀地形成在载体上。

例如，当垂直取向的(vertically-aligned)碳纳米管(下文中，也称为“垂直取向CNT”)被用作载体时，已经提出了以下技术：在其中电解质树脂被溶解在醇中的电解溶液被滴到碳纳米管(下文中，也称为“CNT”)上，然后干燥以便用电解质树脂涂覆CNT的表面(参见例如日本专利申请公开2005-203332(JP-A-2005-203332))。

然而，当CNT长时或当邻近的CNT之间的距离短时，电解溶液难以渗透到邻近的CNT之间的间隙里面，因此存在电解质树脂不能均匀地形成在CNT的表面上的可能性。

注意，不仅当CNT被用作载体时出现这样的问题，例如当碳黑或类似物的颗粒被用作载体时也会出现这样的问题。

发明内容

本发明提供了一种用于改善在燃料电池中使用的电极催化剂层中的其上承载有催化剂的载体周围所形成的电解质树脂的均匀性的技术。

本发明的第一方面涉及一种电极催化剂层的制造方法。所述制造方法包括：在密闭容器内装入在其上承载有催化剂的导电载体、基板、电解质树脂和超临界流体；以及冷却所述基板以在所述基板上形成电极催化剂层，所述电极催化剂层具有所述电解质树脂和在其上承载有所述催化剂的所述导电载体。

通过在密闭容器内装入电解质树脂和超临界流体，在超临界流体中溶解(分散)电解质树脂。然后，冷却基板以冷却其周围的超临界流体，从而从超临界状态改变。由此，电解质树脂沉淀。例如，当在基板上形成其上承载有催化剂的导电载体时，可以改善围绕其上承载有催化剂的导电载体而形成的电解质树脂的均匀性。此外，例如，当诸如碳黑的颗粒被分散在超临界流体中同样作为导电载体时，随着基板冷却，基板周围的温度降低，诸如碳黑的颗粒的温度也降低。由此，电解质树脂沉淀在导电载体上。因此，可以改善围绕其上承载有催化剂的导电载体而形成的电解质树脂的均匀性。

所述导电载体可以为基本上垂直地形成在基板上的垂直取向材料，且所述基板可被冷却以将所述垂直取向材料冷却到低于或等于所述超临界流体的临界点的温度。

此外，所述垂直取向材料可以为垂直取向碳纳米管。

通过以上方面，电解质树脂围绕垂直取向材料而沉淀，因此可以改善围绕其上承载有催化剂的载体而形成的电解质树脂的均匀性。此外，当使用垂直取向材料时，反应气体流过由多个垂直取向材料形成的空气间隙，因此反应气体被平稳供给到在三相界面附近设置的催化剂。结果，可以改善催化剂的有效利用率。

所述超临界流体可以为三氟甲烷的超临界流体。

当三氟甲烷的压力增加时，三氟甲烷具有增加的介电常数和较高的极性，因此三氟甲烷更容易地溶解电解质树脂。由此，与使用二氧化碳作为超临界流体的情况相比，可以容易地溶解(分散)电解质树脂。

注意，本发明的方面可以以各种形式实施，并例如可以在膜电极组件的制造方法、燃料电池的制造方法、电极催化剂层、膜电极组件、燃料电池、具有燃料电池的燃料电池系统、配备有燃料电池系统的车辆等等中实施。

附图说明

通过参考附图对示例性实施例进行的以下描述，本发明的上述和其他目的、特征以及优点将变得显而易见，在附图中相同的标号用于表示相同的要素，且其中：

图1为示意性示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池的截面配置的截面图；

图2为示出了图1中的X1部分的放大截面图；

图3为示意性示出了用于电极催化剂层的制造设备的示意图；

图4为示例了三氟甲烷的状态改变的图；

图5为示出了电极催化剂层的制造方法的流程的流程图；

图6A到6C为概念性地示出了电极催化剂层的制造方法的各部分的图；

图7为示出了三氟甲烷和二氧化碳中的每一个的介电常数的图；

图8为示意性地示出了根据第二实施例的电极催化剂层的制造设备的示意图；以及

图9为示出了根据第二实施例的电极催化剂层的制造方法的流程的流程图。

具体实施方式