燃料电池用电极催化剂层、其制造方法以及使用该催化剂层的膜电极接合体及燃料电池技术

技术编号:16308926 阅读:91 留言:0更新日期:2017-09-27 02:41
本发明专利技术提供一种利用燃料电池用电极催化剂层而气体输送性优异的电极催化剂层,该燃料电池用电极催化剂层包含由催化剂载体及担载于上述催化剂载体的催化剂金属构成的催化剂以及电解质,其中,上述催化剂由上述电解质局部包覆,气体即使不通过电解质也可到达的上述催化剂金属的比表面积相对于上述催化剂金属的总比表面积为50%以上。

Electrode catalyst layer for fuel cell, method for manufacturing the same, membrane electrode assembly and fuel cell using the catalyst layer

The invention provides an electrode catalyst layer and the gas electrode catalyst layer is excellent in the use of fuel cell, electrode catalyst layer composed of catalyst carrier and catalyst metal loading on the catalyst carrier catalyst and electrolyte, the fuel cell wherein the catalyst by the local electrolyte coating, even if the gas metal catalyst can not reach the electrolyte through the specific surface area of the catalyst metal relative to the total surface area is more than 50%.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池用电极催化剂层、其制造方法以及使用该催化剂层的膜电极接合体及燃料电池
本专利技术涉及燃料电池用电极催化剂层、其制造方法以及使用该催化剂层的膜电极接合体及燃料电池。
技术介绍
使用质子传导性固体高分子膜的固体高分子型燃料电池与例如固体氧化物型燃料电池或熔融碳酸盐型燃料电池等其它类型的燃料电池相比,在低温下进行工作。因此,期待固体高分子型燃料电池作为固定用电源、或汽车等移动体用动力源,其实际应用也正在开始。作为这种固体高分子型燃料电池,通常使用以Pt(铂)或Pt合金为代表的昂贵的金属催化剂,成为这种燃料电池的价格高的主要原因。因此,要求开发降低贵金属催化剂的使用量,且可实现燃料电池的低成本化的技术。例如,专利文献1中公开有在导电性载体上担载有催化剂金属粒子的电极催化剂,其中,催化剂金属粒子的平均粒径比导电性载体的微细孔的平均孔径更大。专利文献1记载有:通过该结构,以催化剂金属粒子不会进入载体的微细孔内的方式,提高三相界面所使用的催化剂金属粒子的比例,从而提高昂贵的贵金属的利用效率。现有技术文献专利文献专利文献1:(日本)特开2007-250274号公报(相当于美国专利申请公开第2009/0047559号说明书)但是,使用了专利文献1的催化剂的电极催化剂层中,存在电解质和催化剂金属粒子接触,催化剂活性降低的问题。另一方面,当以电解质和催化剂金属粒子不接触的方式,将催化剂金属担载于载体内部的电解质不能进入的微细的空穴内时,氧等气体的输送距离增大,气体输送性降低。因此,存在不能引导出充分的催化剂活性,在高负荷条件下催化剂性能降低的问题。
技术实现思路
因此,本专利技术是鉴于上述情况而创立的,其目的在于,提供一种气体输送性优异的电极催化剂层。本专利技术的另一目的在于,提供一种催化剂活性优异的电极催化剂层。本专利技术的又一目的在于,提供一种发电性能优异的膜电极接合体及燃料电池。本专利技术人等为了解决上述问题,进行了锐意研究,结果发现,通过不经由电解质而局部直接向催化剂金属供给反应气体(特别是O2),解决上述课题,并最终完成本专利技术。附图说明图1是表示本专利技术一实施方式的固体高分子型燃料电池的基本结构的概略剖面图;图2示意性地表示气体吸附量测量时的气体吸附量(A)及气体吸附量(B)的时间变化;图3是表示本专利技术一实施方式的催化剂(a)及(b)的形状/结构的概略剖面说明图;图4是表示本专利技术一实施方式的催化剂(c)的形状/结构的概略剖面说明图。具体实施方式本专利技术的燃料电池用电极催化剂层(本说明书中,均称为“电极催化剂层”或“催化剂层”)包含由催化剂载体及担载于上述催化剂载体的催化剂金属构成的催化剂以及电解质。在此,以气体即使不通过电解质也可到达的上述催化剂金属的比表面积相对于上述催化剂金属的总比表面积成50%以上的比例,将催化剂金属不经由电解质而直接与反应气体可接触的方式配置。具有上述结构的催化剂层中,将气体即使不通过电解质也可到达的催化剂金属的比表面积调节成适当的范围,确保将反应气体(特别是O2)不经由电解质而直接供给的输送通路,能提高气体输送性。其结果,可以提供催化剂活性优异的催化剂层。此外,本说明书中,“/g载体”是指“每1g载体”。同样,“/g催化剂金属”是指“每1g催化剂金属”。上述专利文献1所记载的电极催化剂层中,为了充分确保反应气体、催化剂金属及电解质(电解质聚合物)同时存在的三相界面,使电解质和催化剂粒子在导电性载体上大量接触(例如,段落“0058”,图2)。但是,本专利技术人等发现,在上述结构中,大部分反应气体(特别是O2)经由电解质向催化剂金属输送,因此,气体输送阻力较高,充分的反应气体不能到达催化剂金属,催化剂不能发挥充分的活性。本专利技术人等对上述课题的解决进行了锐意研究,结果发现,利用反应气体、催化剂金属及水形成三相界面(反应点),由此,可有效利用催化剂。因此,以一定比例以上不经由电解质将反应气体直接供给至催化剂金属,由此,可更快速地且更高效地输送反应气体(特别是O2)到催化剂金属(降低气体输送阻力)。通过这种气体输送性的提高,催化剂金属可更有效地利用反应气体,可提高催化剂活性,即,可促进催化剂反应。另外,上述效果在高负荷条件下也可有效地发挥。因此,具有本专利技术的催化剂层的膜电极接合体及燃料电池呈现高的电流电压(iV)特性(抑制高的电流密度下的电压降低),发电性能优异。此外,上述机理为推定,本专利技术不由上述推定限定。因此,本专利技术的催化剂层的气体输送性优异,可将反应气体快速且高效地输送至催化剂金属。因此,本专利技术的催化剂层可发挥较高的催化剂活性,即,可促进催化剂反应。因此,具有本专利技术的催化剂层的膜电极接合体及燃料电池的发电性能优异。因此,本专利技术也提供具有本专利技术的催化剂层的膜电极接合体及燃料电池。以下,适当参照附图详细说明本专利技术的电极催化剂的一实施方式、以及使用了该催化剂的催化剂层、膜电极接合体(MEA)及燃料电池的一实施方式。但是,本专利技术不仅限制于以下的实施方式。此外,各附图为了方便说明而夸张地表现,有时各附图中的各构成要素的尺寸比率与实际不同。另外,参照附图说明本专利技术的实施方式时,在附图的说明中对同一要素标注同一符号,并省略重复的说明。另外,本说明书中,表示范围的“X~Y”是指“X以上Y以下”。另外,只要没有特别说明,操作及物理性能等的测量在室温(20~25℃)/相对湿度40~50%的条件下进行测量。[燃料电池]燃料电池具有膜电极接合体(MEA)和由阳极侧隔膜和阴极侧隔膜构成的一对隔膜,上述阳极侧隔膜具有燃料气体流通的燃料气体流路,上述阴极侧隔膜具有氧化剂气体流通的氧化剂气体流路。本实施方式的燃料电池可发挥耐久性且较高的发电性能。图1为示出本专利技术的一实施方式的固体高分子型燃料电池(PEFC)1的基本结构的概略图。PEFC1首先具有固体高分子电解质膜2和夹持该固体高分子电解质膜2的一对催化剂层(阳极催化剂层3a和阴极催化剂层3c)。然后,固体高分子电解质膜2与催化剂层(3a、3c)的层叠体(CCM)进一步被一对气体扩散层(GDL)(阳极气体扩散层4a和阴极气体扩散层4c)夹持。这样,固体高分子电解质膜2、一对催化剂层(3a、3c)和一对气体扩散层(4a、4c)以层叠状态构成膜电极接合体(MEA)10。PEFC1中,MEA10进一步被一对隔膜(阳极隔膜5a和阴极隔膜5c)夹持。图1中,隔膜(5a、5c)以位于图示的MEA10的两端的方式进行图示。但是,多个MEA层叠而成的燃料电池堆中,隔膜通常也作为用于邻接的PEFC(未图示)的隔膜来使用。换而言之,燃料电池堆栈中,通过将MEA夹着隔膜依次层叠,从而构成堆栈。此外,实际的燃料电池堆栈中,在隔膜(5a、5c)和固体高分子电解质膜2之间、在PEFC1和与其相邻的其它PEFC之间配置气封部,但图1中省略这些记载。隔膜(5a、5c)例如通过对厚度0.5mm以下的薄板实施冲压处理使其成形为图1所示那样的凹凸状的形状而得到。隔膜(5a、5c)的自MEA侧观察到的凸部与MEA10接触。由此,确保与MEA10的电连接。另外,隔膜(5a、5c)的自MEA侧观察到的凹部(因隔膜所具有的凹凸状的形状而产生的隔膜与MEA之间的空间)作为用于在PEFC1的运行时使气体流通的气体流路而发挥功能。具体本文档来自技高网...
燃料电池用电极催化剂层、其制造方法以及使用该催化剂层的膜电极接合体及燃料电池

【技术保护点】
一种燃料电池用电极催化剂层,包含由催化剂载体及担载于所述催化剂载体的催化剂金属构成的催化剂以及电解质,其中,所述催化剂由所述电解质局部包覆,气体即使不通过电解质也可到达的所述催化剂金属的比表面积相对于所述催化剂金属的总比表面积为50%以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.29 JP 2014-2205731.一种燃料电池用电极催化剂层,包含由催化剂载体及担载于所述催化剂载体的催化剂金属构成的催化剂以及电解质,其中,所述催化剂由所述电解质局部包覆,气体即使不通过电解质也可到达的所述催化剂金属的比表面积相对于所述催化剂金属的总比表面积为50%以上。2.如权利要求1所述的燃料电池用电极催化剂层,其中,所述催化剂满足下述(a)及(b)中的至少一项:(a)所述催化剂具有半径不足1nm的空穴及半径1nm以上的空穴,所述半径不足1nm的空穴的空穴容积为0.3cc/g载体以上,且所述催化剂金属担载于所述半径1nm以上的空穴的内部;(b)所述催化剂具有半径不足1nm的空穴及半径1nm以上的空穴,所述半径不足1nm的空穴的空穴分布的模型半径为0.3nm以上且不足1nm,而且,所述催化剂金属担载于所述半径1nm以上的空穴的内部。3.如权利要求1或2所述的燃料电池用电极催化剂层,其中,所述催化剂满足下述(c):(c)所述催化剂具有半径为1nm以上且不足5nm的空穴,该空穴的空穴容积为0.8cc/g载体以上,且电化学性地测量的所述催化剂金属的比表面积为60m2/g载体以下。4.如权利要求1~3中任一项所述的燃料电池用电极催化剂层...

【专利技术属性】
技术研发人员:井殿大大间敦史高桥真一真塩彻也堀部哲史
申请(专利权)人:日产自动车株式会社戴姆勒股份公司福特汽车公司
类型:发明
国别省市:日本,JP

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1