催化剂电极层、膜-电极组件和燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种催化剂电极层、膜-电极组件和燃料电池，所述催化剂电极层被构造为以与燃料电池的电解质膜接触的方式进行设置。每单位面积所述催化剂电极层的Fe含量等于或大于0μg/cm2且等于或小于0.14μg/cm2，且所述催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及催化剂电极层、膜-电极组件和燃料电池。
技术介绍
用于聚合物电解质燃料电池中的膜-电极组件包括传导质子的聚合物电解质膜、以及负极和正极，所述负极和正极是设置在电解质膜上的催化剂电极层。在燃料电池中，供给至膜-电极组件的氢气或氧气可以穿过电解质膜而不用于发电反应，并可以移动到与供给了氢气或氧气的电极相对的电极。在此情况中，可以在有氢气和氧气的电极侧产生过氧化氢(H2O2)。已知的是，催化剂电极层被产生自过氧化氢的过氧化氢自由基劣化。由此，日本专利申请公布2013-069534(JP 2013-069534 A)描述了包括隔膜的燃料电池，在所述隔膜中形成了用于向催化剂电极层供给水的加湿通道以便使用水来排出产生的过氧化氢自由基。然而，对于抑制催化剂电极层劣化的技术仍存在改进的空间。本专利技术的专利技术人已经发现，为了改善膜-电极组件的耐久性，除了以使得如在上述现有技术中在燃料电池发电期间将催化剂电极层保持在潮湿状态的方式形成燃料电池之外，更优选使得催化剂电极层的吸水能力落在规定范围内。
技术实现思路
本专利技术的一方面涉及被构造为以与燃料电池的电解质膜接触的方式设置的催化剂电极层。每单位面积催化剂电极层的Fe含量等于或大于O μ g/cm2且等于或小于0.14yg/cm2，且催化剂电极层的吸水率等于或高于11 %且等于或低于30%。其中在电池温度为60°C、相对湿度为40%且发电电压为0.5V的条件下将包含所述催化剂电极层的燃料电池保持100小时之后，将在其中温度为100°C且相对湿度为0%的环境下将所述催化剂电极层干燥I小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q1，将在其中温度为70°C且相对湿度为15%的环境下将所述催化剂电极层进一步保持I小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q2，且将在其中温度为70°C且相对湿度为90%的环境下将所述催化剂电极层进一步保持I小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q3时，所述吸水率满足如下关系:吸水率=(Q3-Q1)/Ql X 100- (Q2-Q1) /Ql X 100利用该构造，可改善催化剂电极层的耐久性。本专利技术可以在各种方面实现。例如，本专利技术可以作为包括催化剂电极层的膜-电极组件、包括所述膜-电极组件的燃料电池及其制造方法、以及另外包括上述试验方法的膜-电极组件的制造方法来实现。【附图说明】下面将参考附图对本专利技术示例性实施方式的特征、优势和技术和工业意义进行说明，其中相似符号表示相似元件，且其中:图1是显示根据本专利技术实施方式的燃料电池的示意性构造的说明图；图2是显示根据实施方式的膜-电极组件的制造方法的流程图；图3是显示关于试样#1?#11的吸水率与性能下降率之间关系的关系图；图4是显示关于试样#1?#6和#9?#11的吸水率与电池电阻之间关系的关系图；图5是显示关于试样#1?#6和#9?#11的吸水率与离聚物分解率之间关系的关系图；图6是显示关于试样#3?#6和#9?#11的吸水率与Fe含量之间关系的关系图；图7是显示关于试样#1?#6和#9的吸水率与相对湿度之间关系的关系图；图8是显示关于试样#3?#9的吸水率与气体扩散阻抗(gas diffus1nresistance)之间关系的关系图；图9是显示关于试样#12?#16的吸水率与性能下降率之间关系的关系图。【具体实施方式】图1是显示根据本专利技术一个实施方式的燃料电池10的示意性构造的说明图。燃料电池10是聚合物电解质燃料电池。燃料电池10具有其中堆叠多个单元电池14的堆叠结构。在燃料电池10中，各个单元电池14是产生电力的单元模块。单元电池14通过使用氢气和包含在空气中的氧气之间的电化学反应来产生电力。各个单元电池14包括发电体20和成对的隔膜100 (负极侧隔膜10an和正极侧隔膜10ca)。发电体20夹在隔膜100之间。发电体20包括膜-电极组件(MEA) 23和设置在膜-电极组件23各侧上的成对的气体扩散层24 (负极侧扩散层24an和正极侧扩散层24ca)。膜-电极组件23包括电解质膜21和设置在电解质膜21各表面上的催化剂电极层22 (负极22an和正极22ca)。电解质膜21是由例如氟树脂形成的传导质子的离子交换膜。电解质膜21在潮湿条件下展示良好的导电性。作为电解质膜21，例如可以使用由在侧链端具有至少一个磺酸基(-SO3H基团)的全氟磺酸聚合物形成的固体聚合物电解质膜。更具体地，作为电解质膜21,例如可以使用氟基磺酸膜如Naf1n膜(117，Naf1n是注册商标)、Aciplex (注册商标)或Flem1n (注册商标)。当燃料电池10产生电力时，催化剂电极层22的负极22an充当负极。当燃料电池10产生电力时，催化剂电极层22的正极22ca充当正极。例如，催化剂电极层22中的每一个可以包括负载促进电化学反应的催化剂金属(例如铂)的碳粒子(催化剂载体)和传导质子的聚合物电解质(离聚物)。作为离聚物，例如可以使用在侧链端具有至少一个磺酸基(-SO3H基团)的全氟磺酸聚合物。包括在催化剂电极层22中的离聚物可以是与包括在电解质膜21中的离聚物相同的聚合物、或与包括在电解质膜21中的离聚物不同的聚合物。作为导电载体(作为催化剂载体)，除了碳粒子之外，还可使用例如:碳材料如炭黑、碳纳米管和碳纳米纤维；以及碳化合物如碳化硅。作为催化剂金属，除了铂之外，还可以使用例如铂合金、钯、铑、金、银、锇和铱。催化剂电极层22中的每一个优选以使得催化剂电极层22的吸水率等于或高于11%且等于或低于30% (即吸水率为11%?30%)的方式构造。吸水率是显示催化剂电极层的吸水性能的值。在其中催化剂电极层22的吸水率等于或高于11%的情况中，即使由于交叉泄露等而产生过氧化氢，产生的过氧化氢仍能够通过包含在催化剂电极层22中的水排出。因此，由过氧化氢造成的离聚物的分解受到抑制。此外，在其中吸水率等于或低于30%的情况中，可以抑制由如下导致的向催化剂供给气体的效率的下降:由离聚物的溶胀造成催化剂电极层22的孔的关闭。即使在相同湿度环境(湿气环境)下，吸入催化剂电极层22的水的量仍根据例如构成离聚物的分子的性质而变化。更具体地，构成离聚物的分子包括全氟碳系主链和至少一个在其端部具有磺酸基(-SO3H基团)的侧链。在此情况中，即使在相同湿度环境下，吸入催化剂电极层22的水的量仍根据例如侧链中磺酸基(-SO3H基团)的数量和主链的刚性而变化。催化剂电极层22的吸水率受催化剂电极层22中离聚物的种类和重量百分比、催化剂电极层中碳(催化剂载体)的种类和重量百分比以及催化剂电极层的结构的影响(根据其变化)ο例如，关于离聚物，随着磺酸的量的增大，吸水率增大，且随着结晶度升高，吸水率下降。例如，关于碳，随着表面积或孔体积的增大，吸水率升高。此外，例如关于催化剂层的结构，随着厚度增大，吸水率升高。通过调节这些因素，能够将催化剂电极层22的吸水率设置为上述范围中的值。通过下述方法计算催化剂电极层22的吸水率。首先，将包括其中形成催化剂电极层22的膜-电极组件的燃料电池在电池温度为60 °C、相对湿度为40%且发电电压为0.5V的条件下保持100小时。然后，将催化剂电极层22从膜-电极组件刮掉(去掉)，并在其中温度为100°C且相对湿度(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种催化剂电极层，所述催化剂电极层被构造成以与燃料电池的电解质膜接触的方式设置，其特征在于：所述催化剂电极层的每单位面积的Fe含量等于或大于0μg/cm2且等于或小于0.14μg/cm2，且所述催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％；其中在电池温度为60℃、相对湿度为40％且发电电压为0.5V的条件下将包含所述催化剂电极层的燃料电池保持100小时之后，将在其中温度为100℃且相对湿度为0％的环境下将所述催化剂电极层干燥1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q1，将在其中温度为70℃且相对湿度为15％的环境下将所述催化剂电极层进一步保持1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q2，且将在其中温度为70℃且相对湿度为90％的环境下将所述催化剂电极层进一步保持1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q3时，所述吸水率满足如下关系：吸水率＝(Q3‑Q1)/Q1×100‑(Q2‑Q1)/Q1×100。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：水谷宣明，吉川大雄，西田恒政，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP