[发明专利]催化剂的制造方法及其装置、以及采用催化剂的燃料电池用反应层的特性控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂的制造方法及其装置、以及采用催化剂的燃料电池用反应层的特性控制方法。

背景技术

燃料电池的结构为在固体电解质膜上层状堆积反应层，作为燃料电池反应场所的空气极侧的反应层的特性极大地左右了燃料电池的性能。

本发明者提出了用作上述空气极侧反应层的PFF结构(注册商标：以下相同)的反应膜(专利文献1)。这里所谓PFF结构，指的是高分子电解质的侧链的亲水性官能基呈朝向催化剂侧的结构，以在催化剂上形成亲水区域。此时的催化剂是在由碳颗粒等形成的载体上载置催化剂金属颗粒而成的物体。

作为介绍与本发明有关的技术的文献，可以参照专利文献2和非专利文献1。

[专利文献1]日本专利特开2006-140061号公报

[专利文献2]日本专利特开平7-134995号公报

[非专利文献1]“Carbon”p199(Kim Kinoshita；John Wiley&Sons1988)

发明内容

这种催化剂金属颗粒采用了铂等昂贵的贵金属的微小颗粒。为了降低燃料电池的制造成本、普及燃料电池，降低催化剂金属颗粒的使用量是一个重要的课题。

本发明的目的在于对适用于PFF结构的反应层的催化剂进行改良，并减少催化剂金属颗粒的使用量。

为了解决上述问题，作为本发明人员努力研究的结果，利用亲水基对催化剂金属颗粒的表面进行修饰，可以稳定PFF结构，提高反应层的特性，从而实现了本发明。

即，本发明的第1局面规定如下。

一种催化剂的制造方法，其特征在于，

作为在载体上载置催化剂金属颗粒而成的燃料电池用催化剂的制造方法，

包括准备在载体上载置催化剂金属颗粒而成的原料催化剂的步骤，

和在上述原料催化剂中，利用从硝酸基、氨基、磺酸基、羟基以及卤基中选择的至少一种的修饰基对上述催化剂金属颗粒进行修饰的步骤。

根据这种规定的第1局面的催化剂的制造方法，由于催化剂金属颗粒被规定的亲水基所修饰，提高了催化剂金属颗粒的周围的亲水性，从而在催化剂与高分子电解质相之间可靠地形成亲水区域。

希望亲水基的修饰基是从硝酸基、氨基和磺酸基中选择的至少一种(本发明的第2局面)。因为这可以提高水性区域的稳定性。

希望通过将与催化剂金属颗粒相同或同种的金属或贵金属的络合物且包含该修饰基的物质与催化剂金属颗粒进行结合，从而利用修饰基对催化剂金属颗粒的表面进行修饰(本发明的第3局面)。这是因为修饰过程简单，同时修饰基量容易控制。

从获取络合物的难易程度的观点来看，希望催化剂金属颗粒和络合物金属为铂(本发明的第4局面)。

附图说明

图1是表示本发明的实施形态的燃料电池结构的截面图。

图2是表示PFF结构的模式图。

图3是表示电解质溶液中的电解质形态的模式图，图3(A)为水分过多的情况，图3(B)为水分适当的情况。

图4是表示与图3(A)对应的反应层结构的模式图。

图5(A)表示预备浆料和电解质溶液的搅拌时间与粘度的关系，图5(B)表示同一情况的搅拌时间与反应层电阻的关系。

图6是表示本发明的实施形态的催化剂浆料的制造装置的模块图。

图7是表示PFF结构的反应层的形成方法的流程图。

图8是表示具有第1实施例的反应层的燃料电池的特性的曲线。

图9是表示反应层截面的照片，图9(1)表示第1实施例的反应层的截面，图9(2)表示第2实施例的反应层的截面。

图10是表示具有第2实施例的反应层的燃料电池的特性的曲线。

图11是第3实施例的催化剂的XPS能谱。

图12是表示具有第3实施例的反应层的燃料电池的特性的曲线。

图13是表示具有第4实施例的反应层的燃料电池的特性的曲线。

图14是表示对于催化剂进行亲水基修饰的干式方法的图。

符号说明

1燃料电池，2固体电解质膜，10氢极，11反应层，16扩散层，20空气极，C催化剂，C1载体，C2催化剂金属颗粒，E电解质层，E1主链，E2侧链，W亲水区域

实施方式

图1表示本发明的实施形态的燃料电池1。

该燃料电池1中，利用氢极10和空气极20，夹持固体电解质膜2。