[发明专利]催化剂层、其制备方法、膜电极组件以及电化学电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于在2014年9月22日提交的日本专利申请第2014-192162号并主张其优先权，所述专利申请的全文内容援引并入本申请中。

技术领域

本公开内容的实施方案涉及催化剂层、制备所述催化剂层的方法、膜电极组件以及电化学电池。

背景技术

近年来，电化学电池已经被广泛深入地研究。例如，电化学电池包括燃料电池，燃料电池包括通过诸如氢气的燃料与诸如氧气的氧化剂的反应来产生电的系统。实际上，聚合物电极燃料电池(下文中常常被称为“PEFC”)特别被用作供家庭使用的静止电源或者汽车用电源，因为它们对环境的影响小。尽管PEFC产生作为反应产物的水，且与其它燃料电池相比可以在低温下工作，但它们大量使用贵金属催化剂，所以是昂贵的。因此，为了推广PEFC，非常重要的是要通过减少贵金属催化剂的量来降低成本。

在PEFC中的电极分别包含催化剂层，催化剂层通常用碳负载的催化剂制成，其中催化剂材料负载在炭黑载体上。然而，如果PEFC被用作例如汽车用电源，包含在阴极侧催化剂层中的碳载体被逐渐腐蚀，并且当操作反复启动和停止时，负载在碳载体上的贵金属催化剂本身也逐渐溶解。据报告，这会导致加速催化剂层与包括所述催化剂层的膜电极组件(下文中通称为“MEA”)的劣化。

为了避免碳载体的腐蚀问题并从而确保足够的耐久性的目的，检验了使用不是通过使用碳载体形成而是通过将催化剂溅射或蒸镀到载体上而形成的催化剂层。这种催化剂层的实例包括将铂溅射到晶须基板上形成的催化剂层(参见，例如，PCT国际申请公布第2007-507328号)。由于不含碳载体，该催化剂层可具有足够的耐久性。

然而，如果上述催化剂层被用在向其中供给湿润燃料的燃料电池中的阴极侧，所述电池经常遭受所谓的“液泛(flooding)现象”，其中由电极反应产生的水没有从催化剂层排出，从而引起水停滞(waterstagnation)。其结果是，特别是在约室温下时的电池电压大幅度降低。另外，即使干燃料被供给到电池时，电池电压也可能大幅度降低。推测这是因为催化剂层具有的保水能力太小，不能给电解质膜提供足够量的水。因此，要求催化剂层不仅具有足够的耐久性，还要具有优异的坚固性。

与此同时，从水管理的观点出发，考虑到碳的疏水性，建议将纤维状碳引入堆叠的铂层之间(参见，例如，JP2010-33759A)。然而，这对于获得优异的坚固性是不够的。在此应当注意的是，因为纤维状碳不作为催化剂载体，所以即使纤维状碳被部分腐蚀，也不会有什么问题。

附图说明

图1是根据第一实施方案的膜电极组件的示意性截面图。

图2是根据第一实施方案的催化剂层的示意性截面图。

图3是根据第一实施方案的催化剂层的扫描透射电镜照片。

图4A和4B示意性地说明根据第一实施方案的制备催化剂层的方法。

图5是根据第一实施方案的电化学电池的示意性截面图。

图6是根据第二实施方案的催化剂层的示意性截面图。

图7A和7B示意性地说明根据第二实施方案的制备催化剂层的方法。

图8A和8B示意性地说明根据第二实施方案的制备催化剂层的方法。

发明内容

现在将参照附图解释实施方案。

本公开内容的实施方案提供了催化剂层，其包括两个或更多个含贵金属的层与设置在所述含贵金属的层之间的多孔陶瓷层，其中在所述多孔陶瓷层与所述含贵金属的层之间存在空隙。

第一实施方案

根据第一实施方案，参照如下附图描述催化剂层、制备所述催化剂层的方法、膜电极组件以及电化学电池。图1是根据本实施方案的膜电极组件的示意性截面图，图2是根据本实施方案的催化剂层的示意性截面图，图3是根据本实施方案的催化剂层的扫描电镜照片，图4示意性地说明制备根据本实施方案的催化剂层的方法，图5是根据本实施方案的电化学电池的示意性截面图。

催化剂层和膜电极组件

如图1中所示的膜电极组件(MEA)10包括彼此分开并面对面设置的一对电极11和12，以及设置在电极11和12之间的电解质膜13。

电解质膜