燃料电池电极催化剂层用浆液、电极催化剂层、膜电极组件及燃料电池制造技术

本发明专利技术以简便地提供在燃料电池电极中、于低增湿以及高增湿条件下都能够显示优良输出特性的燃料电池电极催化剂层作为发明专利技术要解决的问题。并且本发明专利技术涉及一种浆液，其中至少含有电解质、催化剂粒子以及溶剂，所述溶剂由两种以上组成，并且所述溶剂发生相分离，由此能够解决问题。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及能够构成固体高分子型燃料电池的燃料电池电极催化剂层的燃料电池电极催 化剂层用浆液(slurry)，以及使用该浆液的电极催化剂层、膜电极组件及燃料电池。
技术介绍
近几年来，作为环境问题和能源问题的有效解决对策，燃料电池一直受到关注。燃料电池是指，使用氧等氧化剂对氢等燃料进行氧化，并将伴随该氧化的化学能转换成电能。燃料电池因电解质种类的不同而分为碱型、磷酸型、固体高分子型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型等。由于固体高分子型燃料电池(PEFC)在低温下工作，具有高输出密度，井能够实现小型化、轻量化，所以被期待用作便携式电源、家庭用电源、车辆用动カ源。固体高分子型燃料电池(PEFC)具有用燃料极(阳极)和空气电极(阴极)夹持电解质膜即高分子电解质膜的结构，通过向燃料极侧供给含有氢的燃料气体，向空气电极侧供给含有氧的氧化剂气体，从而利用下述的电化学反应进行发电。阳极H2— 2H++2e-· · .(1)阴极(1/2)02+2H++2e_ — H2O · · · (2)供给到阳极侧的燃料气体通过电极催化剂变成质子和电子(反应I)。质子穿过阳极电极催化剂层内的高分子电解质、固体高分子电解质膜，移动至阴扱。电子通过外部电路移动至阴扱。在阴极，质子、电子和从外部供给的氧化剂气体发生反应，并生成水(反应2)。因此，上述电化学反应发生在质子(电解质)、电子(催化剂、载体)和反应气体的三相界面。目前，面临燃料电池的低成本化，期待有一种即使在低增湿条件下也显示优良输出特性的燃料电池。但是，在低增湿条件下，电解质的含水量降低，质子传导降低。因此，质子无法到达三相界面，导致输出特性降低。为了提高质子传导性和保水性，而优选为，増加电极催化剂层内的电解质含量，但是，如果增加电解质含量，则妨碍反应气体的供给，并引起输出功率的降低。并且，在高增湿条件下，电解质的膨润会进ー步妨碍气体的供给，并引起输出功率显著降低。为了解决这些问题，提出了 ー种使电极催化剂层内的电解质含量在电解质膜ー侧较多，而在气体供给侧较少的电极催化剂层，但是存在増加制造エ序的问题(专利文献I)。现有技术文献专利文献专利文献I :日本特开2009-295341号公报
技术实现思路
本专利技术简便地提供燃料电池电极催化剂层，其能够在燃料电池电极中于低增湿及高增湿条件下都显示出优良的输出特性。为了解决以上问题，本专利技术人等反复进行深入研究，结果获得以下发现如果使用一种至少含有电解质、催化剂粒子以及溶剂，并且上述溶剂由两种以上组成且上述溶剂发生相分离的燃料电池电极催化剂层用浆液，则能够提供ー种气体扩散性、保水性、质子传导都优良，并且在低增湿及高增湿条件下都能够显示优良输出特性的燃料电池，从而完成了本专利技术。即，本申请第一项专利技术是ー种电池电极催化剂层用浆液，其中至少含有电解质、催化剂粒子以及溶剂，所述浆液的特征在于，上述溶剂由两种以上组成，并且上述两种以上溶剂发生相分离。其次，第二项专利技术的特征在于，在第一项专利技术记载的结构中，上述电解质和上述溶剂的混合溶液形成胶体。接着，第三项专利技术的特征在于，在第一项专利技术记载的结构中，上述电解质和上述溶剂的混合溶液形成为乳状液(emulsion)。 然后，第四项专利技术的特征在于，在第一至第三项专利技术中的任ー项所记载的结构中，上述溶剂由上述电解质的不良溶剂和上述电解质的良溶剂组成。接着，第五项专利技术的特征在于，在第四项专利技术记载的结构中，上述良溶剂相对于上述不良溶剂的质量比在O. 8以上至10以下的范围。然后，第六项专利技术提供一种电极催化剂层，其特征在于，使用第一至第五项专利技术中任ー项所记载的燃料电池电极催化剂层用浆液。接着，第七项专利技术提供ー种膜电极组件，其特征在于，使用第一至第五项专利技术中任ー项所记载的燃料电池电极催化剂层用浆液。然后，第八项专利技术提供ー种燃料电池，其特征在于，使用第一至第五项专利技术中任一项所记载的燃料电池电极催化剂层用浆液。第一项专利技术的燃料电池电极催化剂层用浆液发挥以下显著效果，即能够简便地制造气体扩散性、保水性、质子传导都优良，并且在低增湿及高增湿条件下都显示优良输出特性的燃料电池电极催化剂层。第二项专利技术的燃料电池电极催化剂层用浆液由于电解质大量覆盖在催化剂上，所以发挥更显著的效果，即能够提供质子传导优良的燃料电池催化剂电扱。第三项专利技术的燃料电池电极催化剂层用浆液由于是乳状液的状态，所以可发挥更显著的效果，即能够提供气体扩散性优良的燃料电池催化剂电扱。第四项专利技术的燃料电池电极催化剂层用浆液发挥更显著的效果，即能够提供具有电极催化剂层的燃料电池催化剂电极，所述电极催化剂层形成有良好的电解质的网状物inetworkj。第五项专利技术的燃料电池电极催化剂层用浆液发挥更显著的效果，即能够提供具有电极催化剂层的燃料电池催化剂电极，所述电极催化剂层具有最佳空孔量。第六项专利技术发挥更显著的效果，即能够简便地制造质子传导、气体扩散性及保水性都优良的催化剂层。第七项专利技术发挥更显著的效果，即能够制造质子传导、气体扩散性及保水性都优良的膜电极组件。第八项专利技术发挥更显著的效果，即能够制造质子传导、气体扩散性及保水性都优良，并且在低增湿及高增湿条件下都显示优良输出特性的燃料电池。附图说明图I是示意性地表示本专利技术实施方式的燃料电池电极催化剂层用浆液的说明图。图2是表示本专利技术实施方式的膜电极组件之一例的剖面说明图。图3是表示安装有图3所示的膜电极组件的燃料电池的单电池结构的分解剖视图。具体实施例方式以下參照附图，对本专利技术的实施方式进行说明。 本实施方式涉及固体高分子型燃料电池的燃料电池电极催化剂层，并涉及燃料电池电极催化剂层用浆液，其特征在于，所述浆液至少含有电解质13、催化剂14即催化剂粒子、溶剂，上述溶剂由两种以上组成，并且上述溶剂发生相分离。(燃料电池电极催化剂层用浆液)图I是本实施方式的燃料电池电极催化剂层用浆液的示意图。图I (a)表示电解质和溶剂的混合溶液形成胶体时的例子，图I (b)表示电解质和溶剂的混合溶液形成为乳状液时的例子。如图I所示，本专利技术的燃料电池电极催化剂层用浆液的溶剂，例如由电解质的不良溶剂15 (a)和电解质的良溶剂15 (b)这两种溶剂组成，这两种溶剂15 (a)、15 (b)不混合，而发生相分离。由于两种溶剂15 (a)、15 (b)发生相分离，所以能够在浆液中的局部存在电解质13。由此，能够很好地形成电解质13的网状物，并且能够得到质子传导性及保水性都优良的电极催化剂层。电解质13分散在溶剂(不良溶剂15 (a))中并形成胶体粒子(图I (a))。或者，电解质13集中于发生层分离的溶剤-溶剂界面，并形成乳状液(图I (b))。在电解质13形成胶体粒子的情况下，或者，在电解质13集中于溶剂-溶剂界面并形成乳状液的情况下，与电解质13分散在良溶剂15 (b)中的情况相比，电解质13的浓度在局部会变高。通过形成胶体粒子或乳状液，由此，形成良好的电解质13的网状物，并且通过使用含有良好的电解质13的网状物的燃料电池电极催化剂层用浆液，由此，能够提高电极催化剂层的质子传导性及保水性。另外，通过控制不良溶剂15 (a)的量，能够控制电解质13的网状物。为了控制网状物，良溶剂15 (b)相对于不良溶剂15 (a)的最佳质量比优选为，相对于不良溶剂1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.03.15 JP 2010-0573681.一种燃料电池电极催化剂层用浆液，其中至少含有电解质、催化剂粒子以及溶剂，其特征在于， 所述溶剂由两种以上组成，并且所述两种以上溶剂发生相分离。2.根据权利要求I所述的燃料电池电极催化剂层用浆液，其特征在于，所述电解质和所述溶剂的混合溶液形成胶体。3.根据权利要求I所述的燃料电池电极催化剂层用浆液，其特征在于，所述电解质和所述溶剂的混合溶液形成为乳状液。4.根据权利要求Γ3中任一项所述的燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：岸克行，
申请(专利权)人：凸版印刷株式会社，
类型：
国别省市：