[发明专利]催化剂颗粒、催化剂油墨、燃料电池用电极催化剂层、膜电极组合件、聚合物电解质燃料电池及制备催化剂颗粒和催化剂油墨的方法

说明书

技术领域

本发明的技术涉及催化剂颗粒、催化剂油墨、用于燃料电池的电极催化剂层、膜电极组合件及聚合物电解质燃料电池。本发明进一步涉及其制造方法。更具体地，本发明涉及使用包含支撑催化剂材料的碳颗粒的催化剂颗粒制造催化剂油墨及电极催化剂层的方法。

背景技术

具有聚合物电解质膜作为离子导体的聚合物电解质燃料电池作为一种类型的将原材料气体的反应能直接转化成电能的燃料电池是已知的。聚合物电解质燃料电池由于其与其它燃料电池相比较短的启动时间及其在常温下操作的能力而有希望作为汽车、铁路、废热发电系统等的能源。

尽管此类聚合物电解质燃料电池如上文所述就启动时间及操作温度来说是出色的，但有待进一步落实的问题是发电效率较低。因此，已经在聚合物电解质燃料电池的制造技术中按照惯例地提出各种增加输出电压的建议。例如，在专利文件1中公开的技术中，在制造用于形成电极催化剂层的催化剂油墨期间，将含有离聚物的溶液的相对介电常数控制在预定范围内。这意在增加催化剂颗粒的离聚物覆盖率。换句话说，意在增加作为支撑催化剂材料的碳的支撑性碳材料的离聚物覆盖率。由于电极催化剂层中的支撑性碳材料及离聚物的均匀性增加，所以膜电极组合件中的催化剂颗粒的利用效率增加，因此预期聚合物电解质燃料电池的输出电压会增加。

背景技术文件

专利文件

专利文件1：日本特许公开第2010-257929号

发明内容

本发明打算解决的问题

在专利文件1中公开的具体技术中，分别制备分散有催化剂颗粒的分散液及具有30或更大的相对介电常数的离聚物溶液。随后将分散液与离聚物溶液彼此掺和以便形成混合物液体。向混合物液体中添加具有20或更小的相对介电常数的分散介质。这意在防止离聚物的聚集及凝胶化，以使溶液的粘度升高到产生电极催化剂层所需要的粘度。换句话说，实施这些步骤意在增加催化剂油墨中的催化剂颗粒的离聚物覆盖率。

然而，在向混合物液体中添加具有20或更小的相对介电常数的分散介质以防止离聚物聚集或凝胶化的步骤中，只要分散介质非均匀地添加到混合物液体中，就会在局部以不小的程度发生离聚物的聚集或凝胶化。首先，以不造成离聚物凝胶化或聚集的程度向混合物液体中均匀地添加分散介质较为困难。简而言之，为增加聚合物电解质燃料电池的输出电压，甚至在上述技术中也仍然存在改进的空间。

本发明的目的是增加聚合物电解质燃料电池的输出电压。

解决问题的方法

根据本发明的一个方面，提供制造催化剂颗粒的方法，所述方法包括使作为支撑催化剂材料的碳颗粒的催化剂颗粒暴露于增湿气氛，随后将碳颗粒及聚合物电解质分散于催化剂油墨的溶剂中。

根据上述方面，在掺和支撑催化剂材料的碳颗粒与聚合物电解质之前，使碳颗粒暴露于增湿气氛。因此，与碳颗粒未经历所述增湿的情况相比，碳颗粒的表面与聚合物电解质之间的亲和力增强。在具有支撑催化剂材料的碳颗粒及分散的聚合物电解质的催化剂油墨中，碳颗粒及聚合物电解质的均匀性由此增加。因此，电极催化剂层中的催化剂材料的利用效率增加。而且，具有通过所述制造方法制造的电极催化剂层的聚合物电解质燃料电池能够具有增加的输出电压。

在本发明的一个形式中，制造方法进一步包括在使碳颗粒暴露于增湿气氛之前使碳颗粒支撑催化剂材料。

在电极催化剂层的制造中，在一些情况下，在掺和支撑催化剂材料的碳颗粒(即催化剂颗粒)与聚合物电解质之前，可加热处理碳颗粒。例如，为使催化剂材料支撑于碳颗粒上，在一些情况下，可通过将含有催化剂材料及碳颗粒的溶液蒸发到干燥将催化剂材料沉积于碳颗粒的表面上。在增湿后支撑催化剂材料的情况下，增湿后的催化剂颗粒的水含量因蒸发到干燥期间的加热而降低。因此，与例如使用碳颗粒支撑催化剂材料之后增湿的方法的情况相比，增湿效应降低。

在这点上，根据上述方面，在碳颗粒支撑催化剂材料后增湿催化剂颗粒(碳颗粒)。因此，甚至在支撑催化剂材料时加热碳颗粒的情况下，碳颗粒的增湿效应也几乎不降低。在支撑催化剂材料的过程中加热碳颗粒的情况下，首先，与例如不加热碳颗粒的情况相比，催化剂颗粒的水含量较低。因此，上述增湿优势得以更明显地展现。

在本发明的一个形式中，制造方法进一步包括在将碳颗粒添加到溶剂中之前使碳颗粒的温度保持低于增湿气氛的温度。