[发明专利]燃料电池的电极催化剂

说明书

本发明提供了一种燃料电池的电极催化剂，其包含：负载有贵金属的催化剂，所述负载有贵金属的催化剂包含碳载体和负载于碳载体上的贵金属；和对所述负载有贵金属的催化剂改性的拒水性材料。所述碳载体为介孔碳，其中孔径为2nm至5nm的孔的孔体积为2.1ml/g至2.4ml/g。所述拒水性材料的量相对于介孔碳和拒水性材料的总重量为3重量％至7重量％。

技术领域

本发明涉及燃料电池的电极催化剂。更具体而言，本发明涉及包含在用于各种电化学装置如聚合物电解质燃料电池的膜电极组件中的电极催化剂。

背景技术

聚合物电解质燃料电池包含膜电极组件(下文也称“MEA”)作为基本单元，膜电极组件包含固体聚合物电解质膜和分别与固体聚合物电解质膜的相对表面接合的电极。在聚合物电解质燃料电池中，电极通常具有包括扩散层和催化剂层的双层结构。

扩散层为反应性气体通过其供给到催化剂层并且其中发生电子交换的层。扩散层由多孔且电子传导性的材料制成。催化剂层为其中由催化剂层中包含的电极催化剂引起电极反应的层。为了促进电极反应，需要其中三相(即电解质、催化剂和反应性气体)共存的三相界面。因此，催化剂层通常由包含催化剂(这里，“催化剂”不仅指由其自身起作用的催化剂，还指负载于载体上的贵金属催化剂(下文也称“负载有贵金属的催化剂“)等)和电解质的层构成，所述电解质含有与固体聚合物电解质膜的那些相同的组分。

为了将聚合物电解质燃料电池作为例如车载电源投入实际使用，存在一些需要解决的问题。

例如，每种固体聚合物电解质都需要水来实现质子传导性。因此，聚合物电解质燃料电池通常采用以下方法。按照该方法，将待供给到电极的反应性气体由辅机如水蒸气发生器或雾发生器加湿，并通过控制湿度来调节固体聚合物电解质膜的水含量。然而，在其中反应性气体由辅机加湿的情况下，如果燃料电池运行条件变为高湿条件，则电极内残留过多的水。此外，在质子从燃料电极向着空气电极移动通过电解质膜时，水也与质子一起向空气电极移动。而且，水通过空气电极中的电极反应而产生。如果水不加控制，则催化剂层中的三相界面被水堵塞，即发生所谓的“溢流(flooding)”。溢流可能导致催化剂层的气体扩散性的下降，从而导致燃料电池功率密度的下降。

为了解决这些问题，已提出增强催化剂层的拒水性从而减少溢流的发生的方法。

例如，已提出以下方法(1)至(7)。

(1)向催化剂墨中添加聚四氟乙烯(下文也称“PTFE”)悬浮体的方法(参见日本未经审查专利申请公开号04-264367第0013段)。

(2)向催化剂墨中添加其上负载有PTFE的炭黑的方法(参见Journal ofElectroanalytical Chemistry,第197卷,第195页,(1986))。

(3)混合低分子量含氟溶剂与催化剂墨的方法(参见Journal of TechnicalDisclosure第2003-503533号,日本发明与创新研究所)。

(4)通过溅射沉积向电极粉末表面上附着氟碳化合物树脂材料的方法(参见日本未经审查专利申请公开号10-270053)。

(5)在催化剂层与气体扩散层之间设置包含表面完全被拒水性聚合物所包覆的导电性颗粒的拒水层的方法(参见日本未经审查专利申请公开号2005-294088)。

(6)在催化剂层中使用的导电性催化剂颗粒的表面上形成由拒水性材料制成的涂层的方法(参见日本未经审查专利申请公开号2007-209979)。

(7)用拒水性材料包覆包含催化剂层中使用的催化剂和阳离子交换树脂的复合颗粒的表面并在被包覆颗粒之间形成具有规定尺寸的空隙的方法(参见日本未经审查专利申请公开号2007-149503)。

发明内容