專利名稱：燃料電池電極催化劑層用漿液、電極催化劑層、膜電極組件及燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠構(gòu)成固體高分子型燃料電池的燃料電池電極催化劑層的燃料電池電極催 化劑層用漿液(slurry)，以及使用該漿液的電極催化劑層、膜電極組件及燃料電池。
背景技術(shù)：
近幾年來(lái)，作為環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題的有效解決對(duì)策，燃料電池一直受到關(guān)注。燃料電池是指，使用氧等氧化劑對(duì)氫等燃料進(jìn)行氧化，并將伴隨該氧化的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。燃料電池因電解質(zhì)種類的不同而分為堿型、磷酸型、固體高分子型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型等。由于固體高分子型燃料電池(PEFC)在低溫下工作，具有高輸出密度，井能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、輕量化，所以被期待用作便攜式電源、家庭用電源、車輛用動(dòng)カ源。固體高分子型燃料電池(PEFC)具有用燃料極(陽(yáng)極)和空氣電極(陰極)夾持電解質(zhì)膜即高分子電解質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)，通過(guò)向燃料極側(cè)供給含有氫的燃料氣體，向空氣電極側(cè)供給含有氧的氧化劑氣體，從而利用下述的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。陽(yáng)極H2— 2H++2e-· · .(1)陰極(1/2)02+2H++2e_ — H2O · · · (2)供給到陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體通過(guò)電極催化劑變成質(zhì)子和電子(反應(yīng)I)。質(zhì)子穿過(guò)陽(yáng)極電極催化劑層內(nèi)的高分子電解質(zhì)、固體高分子電解質(zhì)膜，移動(dòng)至陰扱。電子通過(guò)外部電路移動(dòng)至陰扱。在陰極，質(zhì)子、電子和從外部供給的氧化劑氣體發(fā)生反應(yīng)，并生成水(反應(yīng)2)。因此，上述電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在質(zhì)子(電解質(zhì))、電子(催化劑、載體)和反應(yīng)氣體的三相界面。目前，面臨燃料電池的低成本化，期待有一種即使在低增濕條件下也顯示優(yōu)良輸出特性的燃料電池。但是，在低增濕條件下，電解質(zhì)的含水量降低，質(zhì)子傳導(dǎo)降低。因此，質(zhì)子無(wú)法到達(dá)三相界面，導(dǎo)致輸出特性降低。為了提高質(zhì)子傳導(dǎo)性和保水性，而優(yōu)選為，増加電極催化劑層內(nèi)的電解質(zhì)含量，但是，如果增加電解質(zhì)含量，則妨礙反應(yīng)氣體的供給，并引起輸出功率的降低。并且，在高增濕條件下，電解質(zhì)的膨潤(rùn)會(huì)進(jìn)ー步妨礙氣體的供給，并引起輸出功率顯著降低。為了解決這些問(wèn)題，提出了 ー種使電極催化劑層內(nèi)的電解質(zhì)含量在電解質(zhì)膜ー側(cè)較多，而在氣體供給側(cè)較少的電極催化劑層，但是存在増加制造エ序的問(wèn)題(專利文獻(xiàn)I)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開(kāi)2009-295341號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明簡(jiǎn)便地提供燃料電池電極催化劑層，其能夠在燃料電池電極中于低增濕及高增濕條件下都顯示出優(yōu)良的輸出特性。
為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明人等反復(fù)進(jìn)行深入研究，結(jié)果獲得以下發(fā)現(xiàn)如果使用一種至少含有電解質(zhì)、催化劑粒子以及溶劑，并且上述溶劑由兩種以上組成且上述溶劑發(fā)生相分離的燃料電池電極催化劑層用漿液，則能夠提供ー種氣體擴(kuò)散性、保水性、質(zhì)子傳導(dǎo)都優(yōu)良，并且在低增濕及高增濕條件下都能夠顯示優(yōu)良輸出特性的燃料電池，從而完成了本發(fā)明。即，本申請(qǐng)第一項(xiàng)發(fā)明是ー種電池電極催化劑層用漿液，其中至少含有電解質(zhì)、催化劑粒子以及溶劑，所述漿液的特征在于，上述溶劑由兩種以上組成，并且上述兩種以上溶劑發(fā)生相分離。其次，第二項(xiàng)發(fā)明的特征在于，在第一項(xiàng)發(fā)明記載的結(jié)構(gòu)中，上述電解質(zhì)和上述溶劑的混合溶液形成膠體。接著，第三項(xiàng)發(fā)明的特征在于，在第一項(xiàng)發(fā)明記載的結(jié)構(gòu)中，上述電解質(zhì)和上述溶劑的混合溶液形成為乳狀液(emulsion)。
然后，第四項(xiàng)發(fā)明的特征在于，在第一至第三項(xiàng)發(fā)明中的任ー項(xiàng)所記載的結(jié)構(gòu)中，上述溶劑由上述電解質(zhì)的不良溶劑和上述電解質(zhì)的良溶劑組成。接著，第五項(xiàng)發(fā)明的特征在于，在第四項(xiàng)發(fā)明記載的結(jié)構(gòu)中，上述良溶劑相對(duì)于上述不良溶劑的質(zhì)量比在O. 8以上至10以下的范圍。然后，第六項(xiàng)發(fā)明提供一種電極催化劑層，其特征在于，使用第一至第五項(xiàng)發(fā)明中任ー項(xiàng)所記載的燃料電池電極催化劑層用漿液。接著，第七項(xiàng)發(fā)明提供ー種膜電極組件，其特征在于，使用第一至第五項(xiàng)發(fā)明中任ー項(xiàng)所記載的燃料電池電極催化劑層用漿液。然后，第八項(xiàng)發(fā)明提供ー種燃料電池，其特征在于，使用第一至第五項(xiàng)發(fā)明中任一項(xiàng)所記載的燃料電池電極催化劑層用漿液。第一項(xiàng)發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液發(fā)揮以下顯著效果，即能夠簡(jiǎn)便地制造氣體擴(kuò)散性、保水性、質(zhì)子傳導(dǎo)都優(yōu)良，并且在低增濕及高增濕條件下都顯示優(yōu)良輸出特性的燃料電池電極催化劑層。第二項(xiàng)發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液由于電解質(zhì)大量覆蓋在催化劑上，所以發(fā)揮更顯著的效果，即能夠提供質(zhì)子傳導(dǎo)優(yōu)良的燃料電池催化劑電扱。第三項(xiàng)發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液由于是乳狀液的狀態(tài)，所以可發(fā)揮更顯著的效果，即能夠提供氣體擴(kuò)散性優(yōu)良的燃料電池催化劑電扱。第四項(xiàng)發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液發(fā)揮更顯著的效果，即能夠提供具有電極催化劑層的燃料電池催化劑電極，所述電極催化劑層形成有良好的電解質(zhì)的網(wǎng)狀物inetworkj。第五項(xiàng)發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液發(fā)揮更顯著的效果，即能夠提供具有電極催化劑層的燃料電池催化劑電極，所述電極催化劑層具有最佳空孔量。第六項(xiàng)發(fā)明發(fā)揮更顯著的效果，即能夠簡(jiǎn)便地制造質(zhì)子傳導(dǎo)、氣體擴(kuò)散性及保水性都優(yōu)良的催化劑層。第七項(xiàng)發(fā)明發(fā)揮更顯著的效果，即能夠制造質(zhì)子傳導(dǎo)、氣體擴(kuò)散性及保水性都優(yōu)良的膜電極組件。第八項(xiàng)發(fā)明發(fā)揮更顯著的效果，即能夠制造質(zhì)子傳導(dǎo)、氣體擴(kuò)散性及保水性都優(yōu)良，并且在低增濕及高增濕條件下都顯示優(yōu)良輸出特性的燃料電池。


圖I是示意性地表示本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池電極催化劑層用漿液的說(shuō)明圖。圖2是表示本發(fā)明實(shí)施方式的膜電極組件之一例的剖面說(shuō)明圖。圖3是表示安裝有圖3所示的膜電極組件的燃料電池的單電池結(jié)構(gòu)的分解剖視圖。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
本實(shí)施方式涉及固體高分子型燃料電池的燃料電池電極催化劑層，并涉及燃料電池電極催化劑層用漿液，其特征在于，所述漿液至少含有電解質(zhì)13、催化劑14即催化劑粒子、溶劑，上述溶劑由兩種以上組成，并且上述溶劑發(fā)生相分離。(燃料電池電極催化劑層用漿液)圖I是本實(shí)施方式的燃料電池電極催化劑層用漿液的示意圖。圖I (a)表示電解質(zhì)和溶劑的混合溶液形成膠體時(shí)的例子，圖I (b)表示電解質(zhì)和溶劑的混合溶液形成為乳狀液時(shí)的例子。如圖I所示，本發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液的溶劑，例如由電解質(zhì)的不良溶劑15 (a)和電解質(zhì)的良溶劑15 (b)這兩種溶劑組成，這兩種溶劑15 (a)、15 (b)不混合，而發(fā)生相分離。由于兩種溶劑15 (a)、15 (b)發(fā)生相分離，所以能夠在漿液中的局部存在電解質(zhì)13。由此，能夠很好地形成電解質(zhì)13的網(wǎng)狀物，并且能夠得到質(zhì)子傳導(dǎo)性及保水性都優(yōu)良的電極催化劑層。電解質(zhì)13分散在溶劑(不良溶劑15 (a))中并形成膠體粒子(圖I (a))?；蛘?，電解質(zhì)13集中于發(fā)生層分離的溶剤-溶劑界面，并形成乳狀液(圖I (b))。在電解質(zhì)13形成膠體粒子的情況下，或者，在電解質(zhì)13集中于溶劑-溶劑界面并形成乳狀液的情況下，與電解質(zhì)13分散在良溶劑15 (b)中的情況相比，電解質(zhì)13的濃度在局部會(huì)變高。通過(guò)形成膠體粒子或乳狀液，由此，形成良好的電解質(zhì)13的網(wǎng)狀物，并且通過(guò)使用含有良好的電解質(zhì)13的網(wǎng)狀物的燃料電池電極催化劑層用漿液，由此，能夠提高電極催化劑層的質(zhì)子傳導(dǎo)性及保水性。另外，通過(guò)控制不良溶劑15 (a)的量，能夠控制電解質(zhì)13的網(wǎng)狀物。為了控制網(wǎng)狀物，良溶劑15 (b)相對(duì)于不良溶劑15 (a)的最佳質(zhì)量比優(yōu)選為，相對(duì)于不良溶劑15 (a)為I時(shí)，良溶劑15(b)在O. I以上至10以下的范圍，特別優(yōu)選在O. 5以上至7以下的范圍。當(dāng)良溶劑15 (b)小于O. I時(shí)，存在大量的膠體粒子，并且無(wú)法涂布漿液。另ー方面，當(dāng)良溶劑15 (b)大于10吋，電解質(zhì)13難以形成膠體粒子。作為通常使用的溶劑，可以使用水；甲醇、こ醇、I-丙醇、2-丙醇、I-丁醇、2-丁醇、
異丁醇、叔丁醇等醇類；丙酮、甲基こ基酮、甲基丙基酮、甲基丁基酮、甲基異丁基酮、甲基戊基酮、戊酮、庚酮、環(huán)己酮、甲基環(huán)己酮、丙酮基丙酮、ニこ酮、ニ丙酮、ニ異丁基酮等酮類；四氫呋喃、四氫吡喃、ニ噁烷、ニ甘醇ニ甲醚、苯甲醚、甲氧基甲苯、ニこ醚、ニ丙醚、ニ丁醚等醚類；異丙胺、丁胺、異丁胺、環(huán)己胺、ニこ胺、苯胺等胺類；甲酸丙酷、甲酸異丁酷、甲酸戊酷、こ酸甲酷、こ酸こ酷、こ酸丙酷、こ酸丁酷、こ酸異丁酷、こ酸戊酷、こ酸異戊酯、丙酸甲酷、丙酸こ酷、丙酸丁酯等酯類；以及こ酸、丙酸、ニ甲基甲酰胺、ニ甲基こ酰胺、N-甲基吡咯烷酮等。另外，作為ニ醇、ニ醇醚系溶劑，可以列舉出こニ醇、ニ甘醇、丙ニ醇、こニ醇單甲醚、こニ醇ニ甲醚、こニ醇ニこ醚、ニ丙酮醇、I-甲氧基-2-丙醇、I-こ氧基-2-丙醇等。不良溶劑15 (a)是指，溶解溶質(zhì)的能力小，溶劑分子間相互作用的能量非常強(qiáng)，且溶質(zhì)分子間和溶劑分子間相互作用的能量的算木平均值明顯大于溶質(zhì)分子-溶劑分子間相互作用的能量的溶劑(參見(jiàn)《化學(xué)大辭典》共立出版)。例如，作為使用Nafion (R)(注冊(cè)商標(biāo))作為電解質(zhì)時(shí)的不良溶劑15 (a)，可以使用水；丁酸、戊酸、己酸、辛酸等酸；己烷、環(huán)己烷、苯、甲苯、鄰ニ甲苯、間ニ甲苯、對(duì)ニ甲苯、對(duì)異丙基苯甲燒(p-cymene )、ニ戍烯等,特別優(yōu)選使用水。另外，良溶劑15 (b)是指，溶解溶質(zhì)的能力較大的溶剤。例如，作為使用Nafion (R)(注冊(cè)商標(biāo))作為電解質(zhì)時(shí)的良溶劑15 (b)，可以使用 甲醇、こ醇、I-丙醇、2-丙醇、I-丁醇、2-丁醇、異丁醇、叔丁醇等醇類；丙酮、甲基こ基酮、甲基丙基酮、甲基丁基酮、甲基異丁基酮等酮類；ニこ醚、異丙胺、こ酸こ酷、こニ醇、丙ニ醇、こニ醇單甲醚、ニ甲基甲酰胺、ニ甲基こ酰胺、N-甲基吡咯烷酮等，特別優(yōu)選使用I-丁醇、2_ 丁醇、異丁醇、叔丁醇等醇類；こ酸甲酷、ニこ醚。在電解質(zhì)和溶劑的混合溶液形成為乳狀液的情況下，優(yōu)選為，所使用的兩種以上溶劑的沸點(diǎn)不同。通過(guò)使用沸點(diǎn)不同的溶劑，能夠容易地在由本發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液形成的電極催化劑層中形成空孔。例如，在使用兩種溶劑的情況下，優(yōu)選沸點(diǎn)差為5°C以上至100°C以下。當(dāng)沸點(diǎn)差小于5°C時(shí)，由于兩種溶劑同時(shí)蒸發(fā)，所以難以形成空孔。而當(dāng)沸點(diǎn)差大于100°C時(shí)，難以除去沸點(diǎn)更高的溶劑。此吋，優(yōu)選兩種溶劑中的高沸點(diǎn)的溶劑作為不良溶劑15(a)，低沸點(diǎn)的溶劑作為良溶劑15 (b)。另外，通過(guò)改變兩種以上溶劑的比率，能夠控制由燃料電池電極催化劑層用漿液形成的電極催化劑層中的空孔量。為了控制空孔量，作為良溶劑15 (b)相對(duì)于上述不良溶劑15 (a)的最佳質(zhì)量比，優(yōu)選為相對(duì)于不良溶劑15 (a)為I時(shí)，良溶劑15 (b)在O. 8以上至10以下的范圍，特別優(yōu)選在1.5以上至8以下的范圍。當(dāng)良溶劑15 (b)少于O. 8吋，電解質(zhì)13無(wú)法穩(wěn)定地形成膠體粒子或乳狀液。而當(dāng)良溶劑15 (b)多于10時(shí)，雖然電解質(zhì)13能夠形成膠體粒子或乳狀液，但網(wǎng)狀物少，并且無(wú)法形成良好的網(wǎng)狀物。本發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液除了含有兩種溶劑15 (a)、15 (b)以外，還可以含有其他溶剤。作為其他溶劑，只要是不妨礙兩種溶劑15 (a)、15 (b)的層分離的溶劑即可，并沒(méi)有特別限定。關(guān)于電解質(zhì)和溶劑的混合溶液是形成膠體或者形成為乳狀液，由溶劑的種類、t匕率、溫度、PH等確定，但關(guān)于本發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液，只要在燃料電池電極催化劑層用漿液中所包含的兩種以上溶劑發(fā)生相分離即可，更優(yōu)選通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)溶劑的種類、比率、溫度、PH等，形成膠體粒子或乳狀液。上述電解質(zhì)13使用具有親水基和疏水基的高分子。作為親水基，可以列舉出酸性基、堿性基。其中優(yōu)選酸性基，并且優(yōu)選磺酸基或膦酸基，特別優(yōu)選磺酸基。具體可以列舉出Nafion (R)(注冊(cè)■商標(biāo))、Flemion (注冊(cè)■商標(biāo))、Aciplex (注冊(cè)■商標(biāo))等全氟磺酸類樹(shù)脂；聚苯こ烯磺酸等脂肪族類磺酸樹(shù)脂；磺化聚醚砜等芳香族類磺酸樹(shù)脂等。芳香族類磺酸樹(shù)脂因耐熱性優(yōu)良，所以更優(yōu)選。優(yōu)選在燃料電池電極催化劑層用漿液中，含有O. 2質(zhì)量％以上至23. O質(zhì)量％以下的電解質(zhì)13。(膜電極組件)圖2是本發(fā)明的膜電極組件的一個(gè)實(shí)施方式的剖面說(shuō)明圖。本實(shí)施方式的膜電極組件12由圖3所示的層壓結(jié)構(gòu)所構(gòu)成。S卩，膜電極組件12是在電解質(zhì)膜I的兩個(gè)面上分別連接并層壓空氣電極側(cè)電極催化劑層2和燃料極側(cè)電極催化劑層3而形成的。電極催化劑層2、3分別由作為導(dǎo)電劑的炭 黑粒子、反應(yīng)催化劑、上述制造的燃料電池電極用電解質(zhì)13所構(gòu)成。作為本實(shí)施方式中使用的催化劑14、即金屬催化劑粒子，可以使用鉬族元素即鉬、鈀、釕、銥、銠、鋨，此外還可以使用鐵、鉛、銅、鉻、鈷、鎳、錳、釩、鑰、鎵、鋁等金屬或者上述金屬的合金或氧化物、復(fù)合氧化物等。其中優(yōu)選鉬、鉬合金。另外，由于這些催化劑14的粒徑如果過(guò)大，則催化劑14的活性降低，粒徑如果過(guò)小，則催化劑14的穩(wěn)定性降低，所以優(yōu)選粒徑為O. 5nm以上至20nm以下。更優(yōu)選為Inm以上至5nm以下。優(yōu)選在燃料電池電極催化劑層用漿液中，含有O. 3質(zhì)量％以上至15. O質(zhì)量％以下的催化劑14。這些金屬催化劑粒子可以以負(fù)載在電子傳導(dǎo)性導(dǎo)電劑上的狀態(tài)包含在電池電極催化劑層用漿液中。在負(fù)載金屬催化劑粒子的本實(shí)施方式中所用的電子傳導(dǎo)性導(dǎo)電劑，通常使用碳粒子。關(guān)于碳粒子的種類，只要呈微粒狀，具有導(dǎo)電性，并且不被催化劑14影響即可，可以是任意的碳粒子。但可以使用炭黑、石墨(graphite)、黑鉛(black lead)、活性炭、碳纖維、碳納米管、富勒烯。碳粒子的粒徑如果過(guò)小，則難以形成電子傳導(dǎo)通路，而且，粒徑如果過(guò)大，則電極催化劑層變厚，阻力増加，輸出特性下降。從該觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選碳粒子的粒徑為IOnm以上至IOOOnm以下。更優(yōu)選為IOnm以上至IOOnm以下。優(yōu)選在燃料電池電極催化劑層用漿液中，含有O. 5質(zhì)量％以上至35. O質(zhì)量％以下的負(fù)載有金屬催化劑粒子的電子傳導(dǎo)性導(dǎo)電劑。(固體高分子型燃料電池的單電池)圖3是表示安裝有該膜電極組件12的固體高分子型燃料電池的單電池結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方式的分解剖視圖。以與膜電極組件12的空氣電極側(cè)電極催化劑層2和燃料極側(cè)電極催化劑層3相對(duì)置的方式，分別配置具有在復(fù)寫紙上涂布有炭黑和聚四氟こ烯(PTFE)的混合物而得到的結(jié)構(gòu)的空氣電極側(cè)氣體擴(kuò)散層4及燃料極側(cè)氣體擴(kuò)散層5。由此，分別構(gòu)成了空氣電極6及燃料極7。而且，利用由具有導(dǎo)電性和不透氣性的材料所構(gòu)成的一組隔離器10進(jìn)行夾持，從而構(gòu)成了單電池11，所述隔離器10面向空氣電極側(cè)氣體擴(kuò)散層4和燃料極側(cè)氣體擴(kuò)散層5具有反應(yīng)氣體流通用的氣體流路8，并且在對(duì)置的主面上具有冷卻水流通用的冷卻水流路9。而且，向空氣電極6供給空氣、氧等氧化劑，并向燃料極7供給含有氫的燃料氣體或有機(jī)物燃料，從而進(jìn)行發(fā)電。(膜電極組件的制造方法)對(duì)本實(shí)施方式的膜電極組件的制造方法的ー個(gè)例子，進(jìn)ー步進(jìn)行說(shuō)明。
在由用于供給到電極催化劑層2、3中的上述導(dǎo)電性多孔質(zhì)體等所構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層4、5上，涂布有本發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液，然后使其干燥，由此，對(duì)電極催化劑層2、3進(jìn)行層壓。然后，以該電極催化劑層2、3夾持電解質(zhì)膜I的方式，通過(guò)熱壓接進(jìn)行連接，從而制造膜電極組件(MEA)12。在氣體擴(kuò)散層4、5上涂布用于形成催化劑層2、3的燃料電池電極催化劑層用漿液的方法，可以使用刮墨刀(doctor blade)法、絲網(wǎng)印刷法、噴霧法等。另外，作為MEA12的制造方法，可以使用通過(guò)復(fù)制或噴霧在電解質(zhì)膜I的兩個(gè)面上制作電極催化劑層2、3，然后用氣體擴(kuò)散層4、5進(jìn)行夾持的方法。(本實(shí)施方式的效果)在至少含有電解質(zhì)、催化劑粒子、溶劑的電池電極催化劑層用漿液中，上述溶劑由兩種以上組成，并且上述兩種以上溶劑發(fā)生相分離。由此，能夠簡(jiǎn)便地制造氣體擴(kuò)散性、保水性、質(zhì)子傳導(dǎo)優(yōu)良、且在低增濕及高增濕條件下都顯示優(yōu)良輸出特性的燃料電池電極催 化劑層。上述電解質(zhì)和上述溶劑的混合溶液形成膠體。由此，通過(guò)電解質(zhì)大量覆蓋在催化劑上，能夠提供質(zhì)子傳導(dǎo)性優(yōu)良的燃料電池催化劑電扱?；蛘?上述電解質(zhì)和上述溶劑的混合溶液形成為乳狀液。由此，因成為乳狀液的狀態(tài)，而能夠提供氣體擴(kuò)散性優(yōu)良的燃料電池催化劑電扱。而且，通過(guò)使用上述燃料電池電極催化劑層用漿液，能夠簡(jiǎn)便地制造質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體擴(kuò)散性及保水性都優(yōu)良的催化劑層，并且能夠制造質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體擴(kuò)散性及保水性都優(yōu)良的膜電極組件，還能夠制造質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體擴(kuò)散性及保水性都優(yōu)良、且在低增濕及高增濕條件下都顯示優(yōu)良輸出特性的燃料電池。實(shí)施例以下利用實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。[發(fā)電性能的評(píng)價(jià)]使用市售的JARI標(biāo)準(zhǔn)電池進(jìn)行了評(píng)價(jià)。電池溫度設(shè)為80°C，向陽(yáng)極供給增濕氫氣，向陰極供給增濕空氣。在相対濕度為100%、30%的增濕條件下進(jìn)行了評(píng)價(jià)。<實(shí)施例1>[催化劑層用漿液的制作]將載鉬碳(TEC10E50E、田中貴金屬株式會(huì)社制造)放入容器中，加入水后進(jìn)行混合。然后加入與水同量的こ酸こ酯和電解質(zhì)13 (Nafion (R)(注冊(cè)商標(biāo))分散液、和光純藥エ業(yè))，進(jìn)行攪拌，得到了催化劑層用漿液。此外，上述催化劑層用漿液的組成比為如下所示。載鉬碳· · ·20. O質(zhì)量份電解質(zhì)........ 10. O質(zhì)量份水.......... 135. O質(zhì)量份こ酸こ酯............135. O質(zhì)量份水和こ酸こ酯的混合溶液發(fā)生相分離，并且電解質(zhì)和溶劑的混合溶液形成為膠體。[膜電極組件的制作]
在聚四氟乙烯膜(PTFE膜)上涂布催化劑層漿液后進(jìn)行干燥，得到了催化劑層。以上下夾持電解質(zhì)膜I (Nafion (R)(注冊(cè)商標(biāo))212CS、DuPont公司制造)的方式來(lái)重合催化劑層，并在120°C、80kgf/cm2的條件下熱壓10分鐘。熱壓后剝?nèi)TEF膜，得到了膜電極組件。使用發(fā)電評(píng)價(jià)電池，對(duì)膜電極組件的發(fā)電性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。<實(shí)施例2>除了使用相對(duì)于水的質(zhì)量為3倍的乙酸乙酯之外，利用與實(shí)施例I相同的方法來(lái)制作催化劑層用漿液。水和乙酸乙酯的混合溶液發(fā)生相分離，電解質(zhì)和溶劑的混合溶液形成為乳狀液。利用與實(shí)施例I相同的方法來(lái)制作膜電極組件，并評(píng)價(jià)了發(fā)電性能。<比較例1> 除了使用2-丙醇代替乙酸乙酯以外，利用與實(shí)施例I相同的方法來(lái)制作催化劑層用漿液。水和2-丙醇的混合溶液不發(fā)生相分離，電解質(zhì)和溶劑的混合溶液未形成膠體及乳狀液。利用與實(shí)施例I相同的方法來(lái)制作膜電極組件，并評(píng)價(jià)了發(fā)電性能。使用了基于本發(fā)明的催化劑層用漿液的實(shí)施例1、2的膜電極組件，其發(fā)電性能在相對(duì)濕度為100%及30%時(shí)，分別顯示出比比較例I更優(yōu)異3%、6%的輸出特性。由此可知，通過(guò)使用本發(fā)明的燃料電池電極催化劑層用漿液，能夠簡(jiǎn)便地提供一種在低增濕條件及高增濕條件下都優(yōu)良的燃料電池電極催化劑層。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明由于發(fā)揮以下的顯著效果，所以在產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值較高，所述效果為，如果使用一種至少含有電解質(zhì)、催化劑粒子以及溶劑，并且上述溶劑由兩種以上組成且上述溶劑發(fā)生相分離的燃料電池電極催化劑層用漿液，則能夠簡(jiǎn)便地制造在低增濕條件及高增濕條件下都顯示優(yōu)良輸出特性的燃料電池用電極催化劑層，并能夠提供膜電極組件、燃料電池。符號(hào)說(shuō)明I 電解質(zhì)膜2 空氣電極側(cè)電極催化劑層3 燃料極側(cè)電極催化劑層4 空氣電極側(cè)氣體擴(kuò)散層5 燃料極側(cè)氣體擴(kuò)散層6 空氣電極7 燃料極8 氣體流路9 冷卻水流路10 隔離器11 單電池12 膜電極組件13 電解質(zhì)
14 催化劑15 (a) 不良溶劑 15 (b) 良溶劑
權(quán)利要求
1.一種燃料電池電極催化劑層用漿液，其中至少含有電解質(zhì)、催化劑粒子以及溶劑，其特征在于， 所述溶劑由兩種以上組成，并且所述兩種以上溶劑發(fā)生相分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池電極催化劑層用漿液，其特征在于，所述電解質(zhì)和所述溶劑的混合溶液形成膠體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池電極催化劑層用漿液，其特征在于，所述電解質(zhì)和所述溶劑的混合溶液形成為乳狀液。
4.根據(jù)權(quán)利要求Γ3中任一項(xiàng)所述的燃料電池電極催化劑層用漿液，其特征在于，所述溶劑由所述電解質(zhì)的不良溶劑和所述電解質(zhì)的良溶劑組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池電極催化劑層用漿液，其特征在于，所述良溶劑相對(duì)于所述不良溶劑的質(zhì)量比在O. 8以上至10以下的范圍。
6.—種電極催化劑層,其特征在于,使用權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的燃料電池電極催化劑層用漿液。
7.一種膜電極組件，其特征在于，使用權(quán)利要求1飛中任一項(xiàng)所述的燃料電池電極催化劑層用漿液。
8.一種燃料電池，其特征在于，使用權(quán)利要求1飛中任一項(xiàng)所述的燃料電池電極催化劑層用漿液。
全文摘要
本發(fā)明以簡(jiǎn)便地提供在燃料電池電極中、于低增濕以及高增濕條件下都能夠顯示優(yōu)良輸出特性的燃料電池電極催化劑層作為發(fā)明要解決的問(wèn)題。并且本發(fā)明涉及一種漿液，其中至少含有電解質(zhì)、催化劑粒子以及溶劑，所述溶劑由兩種以上組成，并且所述溶劑發(fā)生相分離，由此能夠解決問(wèn)題。
文檔編號(hào)H01M4/88GK102844920SQ201180014054
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者岸克行 申請(qǐng)人:凸版印刷株式會(huì)社