燃料電池用電極和其製造方法以及使用該電極的燃料電池的製作方法

2023-05-27 07:21:01 1

專利名稱：燃料電池用電極和其製造方法以及使用該電極的燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明是有關燃料電池用電極和其製造方法以及使用該電極的燃料電池，特別是 有關用於高分子電解質型燃料電池的電極和製造方法以及使用該電極的高分子電解質型 燃料電池。
背景技術：
燃料電池是通過使能夠生成質子的燃料(例如氫)與含有氧的氧化劑(例如空 氣)發生電化學反應而產生電力的裝置。燃料電池的陰極是將粒徑小的貴金屬催化劑顆粒擔載於碳細微粉末等的導電性 的多孔性細微粉末而構成。在燃料電池工作的時候，隨著電子從導電性細微粉末向催化劑 顆粒移動，質子則從電解質膜向催化劑顆粒移動，在催化劑顆粒表面上，所述電子和氣體中 的氧以及所述質子發生反應，從而進行生成水的催化劑反應。所述催化劑反應所發生的反應中心一般被稱為三相界面。該三相界面的面積是質 子能夠有效地接觸催化劑顆粒的有效面積，該面積越大越能夠提高催化劑的利用率，也就 越能夠提高電池的性能。關於燃料電池用電極的製造，有方法提出了通過攪拌混合高分子電解質以及催化 劑顆粒被擔載的導電性細微粉末，使高分子電解質覆蓋於催化劑顆粒表面(例如參照專利 文獻1的段落0002)。然而，在通過攪拌混合催化劑顆粒被擔載的導電性細微粉末以及高分子電解質材 料而形成的催化劑層中，因為催化劑表面埋在了高分子電解質材料中，所以存在所謂三相 界面的面積變小的問題。因此，為了使催化劑顆粒出現在最表面，有方法提出在形成擔載有催化劑細微顆 粒的多孔質電極層後，通過將高分子電解質的分散液塗布於該電極層上而形成電極(例如 參照專利文獻2的段落0008-0011)。作為燃料電池用電解質膜以及電極中的電解質層，一般使用以Nafion (DuPont 公司制商品名)為代表的全氟磺酸類高分子電解質。這些高分子電解質材料因為在分散溶液中顆粒直徑較大，所以不會被充填於多孔 質電極層的小空隙內。因此，電解質材料不會到達催化劑細微顆粒的附近，其結果是三相界 面的面積變小的問題依然存在沒有得到妥善解決。作為其它的高分子電解質材料，報告有碳化氫聚合物類磺酸電解質和聚矽氧烷類 磺酸電解質等(例如參照專利文獻3以及4)。另外，也有提出使用將磺酸基等的離子性官 能基修飾於表面的無機氧化物顆粒的電解質材料等(例如專利文獻2以及5)。這些高分子電解質材料因為在分散溶液中的顆粒直徑較大所以不會被充填於多 孔質電極層的小空隙內。因此，電解質材料不會到達催化劑細微顆粒的附近，其結果是三相 界面的面積變小的問題依然存在沒有得到妥善解決。如上所述，因為催化劑細微顆粒和電解質材料的接觸面積不夠充分，所以三相界
3面的面積較小，其結果造成催化劑顆粒的有效面積較小的問題。專利文獻專利文獻1 特開2003-109608號公報專利文獻2 特開2005-026005號公報專利文獻3 特開2007-123259號公報專利文獻4 特開2006-114277號公報專利文獻5 特許第3889436號公報專利文獻6 國際公開第2003/026051號公報專利文獻7 國際公開第2004/040679號公報專利文獻8 特開2006-179412號公報專利文獻9 特開平07-105991號公報專利文獻10 特開平08-255619號公報

發明內容
上述現有技術中，因為高分子電解質與催化劑顆粒的接觸面積不夠充分，所以三 相界面的面積小並且不能夠充分地將質子提供到催化劑顆粒的附近。因此，存在著催化劑 利用率較低的問題。本發明的目的是為了解決上述問題，提供一種通過擴大高分子電解質與催化劑顆 粒的接觸面積，從而使得三相界面的面積增大來提高催化劑顆粒表面的利用率並且能夠制 造出具有高發電特性的電極的燃料電池用電極的製造方法。而且通過該方法，能夠獲得的 燃料電池用電極以及含有該電極的燃料電池。為了解決上述現有問題，本發明的燃料電池用電極的製造方法包括以下工序通 過將催化劑顆粒和多孔性碳顆粒粘結於基材從而形成催化劑多孔構造體的工序；調製含有 由(R1O)3Si-R2-SO3H(式中R1表示氫原子或者碳原子數為1 4的烷基，R2表示碳原子數為 1 15的亞烴基)所表示的聚合性電解質前體、由(R3O)mSiR4n(式中R3表示氫原子或者碳 原子數為1 4的烷基，R4表示-(CH2) x-(CF2)y-CF3 (式中χ表示0、1或者2，y表示4 18 的整數)，m表示2或者3，η表示1或者2，但是m和η的合計為4)所表示的聚合性隔離物 前體以及溶劑的電解質前體混合物的工序；通過使上述催化劑多孔構造體中含浸上述電解 質前體混合物從而形成催化劑_電解質前體複合體的工序；通過在所述催化劑_電解質前 體複合體中進行所述聚合性電解質前體與所述聚合性隔離物前體的共聚反應，從而形成由 所述聚合性電解質前體與所述聚合性隔離物前體的共聚物構成的非水溶性的聚合物電解 質層，並獲得含有所述基材、所述催化劑顆粒、所述多孔性碳顆粒以及所述聚合物電解質層 的燃料電池用電極的工序。根據本結構，直至使配置於多孔性碳顆粒中的細微構造內部的催化劑顆粒的附近 能夠充分地配置電解質層，並且在催化劑多孔構造體表面，能夠高密度且高分散地形成作 為質子輸送通道的電解質層。本發明的燃料電池用電極是一種通過上述製造方法能夠獲得的電極，其包括含有 基材和催化劑顆粒以及多孔性碳顆粒的催化劑多孔構造體、和設置於所述催化劑多孔構造 體表面的非水溶性的電解質層。
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所述電解質層含有由(R1O) 3Si-R2-S03H(式中R1表示氫原子或者碳原子數為1 4的烷基，R2表示碳原子數為1 15的亞烴基)所表示的聚合性電解質前體、和由(R3O) mSiR4n(式中R3表示氫原子或者碳原子數為1 4的烷基，R4表示-(CH2)x-(CF2) y-CF3(式中 χ表示0、1或者2，y表示4 18的整數)，m表示2或者3，η表示1或者2，但是m和η的 合計為4所表示的聚合性隔離物前體的共聚物。本發明的燃料電池包括包含所述燃料電池用電極的陰極、陽極、和設置於所述陰 極與所述陽極之間的電解質層。根據本發明的燃料電池用電極的製造方法，能夠增大三相界面的面積從而提高催 化劑顆粒表面的利用率，並且能夠製造出具有高發電特性的電極。


圖1表示本發明的實施方式的燃料電池用電極的製造方法的工序圖。圖2表示有關實施例與比較例的燃料電池用電極的催化劑反應面積評價測定的 循環伏安的圖。
具體實施例方式以下是一邊參照圖面一邊就本發明的實施方式加以說明。在本實施方式中，通過實施工序Sll S14來製造燃料電池用電極。首先，在工序S11，通過使催化劑顆粒⑴和多孔性碳顆粒(2)粘結於基材(11)來 形成催化劑多孔構造體(3)。催化劑顆粒(1)是指在燃料電池特別是在高分子電解質型燃料電池的電極上所 使用的金屬催化劑顆粒。特別是指質子和氧以及電子發生反應而在生成水的陰極上的進行 催化反應的顆粒。具體地說，可以使用白金納米顆粒。白金納米顆粒的平均粒徑一般為1 5nm左右，其比表面積為50 200m2/g左右。多孔性碳顆粒(2)是在燃料電池用電極隨著作為擔載催化劑顆粒(1)的載體行使 其功能，並發揮將電子傳導到催化劑顆粒的作用的導電性的多孔性材料。在多孔性碳顆粒 上，存在著最小只有幾個nm大小的細孔，可以將催化劑顆粒(1)擔載於該細孔的內部。多 孔性碳顆粒的平均粒徑較催化劑顆粒的平均粒徑來得大，通常為20 IOOnm左右，比表面 積為100 800m2/g左右。多孔性碳顆粒是通過使其粘結於基材(11)的表面來加以使用的。作為基材(11) 是使燃料或者氧化劑氣體向催化劑顆粒擴散，為了排出所生成的水，可以使用碳紙或者碳 布等的氣體擴散性的基材。為使多孔性碳顆粒粘結於基材的表面，可以使用燒結有機高分 子形成碳薄膜。在催化劑多孔構造體(3)，使多孔性碳顆粒(2)粘結於基材(11)的表面並使催化 劑顆粒⑴擔載於多孔性碳顆粒(2)的表面(包含細微孔的表面)。形成該構造體的方法 並沒有特別的限定，例如使多孔性碳顆粒粘結於基材的表面，以別的途徑調製包括含有白 金的化合物的溶液，將該溶液含浸在粘結於基材表面的多孔性碳顆粒之後，通過加熱等手 段使白金析出於多孔性碳顆粒的表面，從而能夠形成構造體(3)。在工序S12，調製包含聚合性電解質前體(4)和聚合性隔離物前體(5)以及溶劑
5(6)的電解質前體混合物(7)。聚合性電解質前體(4)是構成高分子電解質型燃料電池的聚合物電解質的前體， 且是具有聚合性的單體。通過聚合性電解質前體(4)發生聚合從而能夠形成聚合物電解 質。具體地說，是具有質子傳導性官能基和縮合聚合性官能基的化合物，可以用化學式 (R1O) 351-妒-503!1來表示。式中R1表示氫原子或者碳原子數為1 4的烷基，R2表示碳原子 數為1 15的烷基。1個分子中存在的3個R1，它們既可以是相同的也可以是不相同的。所述式中的磺酸基-SO3H是質子傳導性官能基，在高分子電解質型燃料電池中，能 夠發揮將質子從夾持於陽極與陰極之間的陽極傳導至陰極的作用。所述式中的由(R1O)3Si-表示的縮合聚合性官能基是通過加熱和/或減壓等的條 件容易發生互相反應並進行縮合聚合反應的官能基。聚合性電解質前體(4)因為具有該縮 合聚合性官能基，所以在後述的工序S14中能夠發生聚合而形成聚合物。在聚合的時候，由 矽原子彼此通過氧原子進行結合而形成矽氧烷並放出水或者R1OiL作為在所述式中的碳原子數為1 4的烷基，例如可以列舉有甲基、乙基、η-丙基、 異丁基、η-丁基、t-丁基等。其中，從反應性的高度或者從聚合後的去除容易的觀點出發， 優選甲基。由R2所表示的亞烴基可以從碳原子數為1 15的亞烴基當中作適當選擇。該亞 烴基既可以是鏈狀又可以是分枝狀。優選碳原子數為2 10的亞烴基。通過該碳原子數， 能夠控制所獲得的高分子電解質的非水溶性。聚合性電解質前體(4)既可以只使用一個種類，也可以組合多個種類來使用。由上述式(R1O)3Si-R2-SO3H所表示的化合物，其通過例如首先準備用於取代磺酸 基而具有硫醇基的化合物(R1O)3Si-R2-SH,在用有機溶劑稀釋這個含有硫醇基的化合物之 後，通過使用氧化劑並進行氧化便能夠得以製造。為了稀釋含有硫醇基的化合物，優選使用 的有機溶劑為後述的極性溶劑。為了對所獲得的聚合物電解質的水的不溶性進行控制，與聚合性電解質前體(4) 一起合併使用聚合性隔離物前體(5)。聚合性隔離物前體(5)因為具有與聚合性電解質前 體⑷的共聚性，所以通過共聚就能夠進入到所獲得的聚合物電解質當中。但是，它是一種 沒有質子傳導性官能基的化合物，可以由式(R3O)mSiR4n來加以表示。式中R3表示氫原子或 者碳原子數為1 4的烷基，R4表示-(CH2)x-(CF2)y-CF315 m表示2或者3，η表示1或者2， 但是m和η的合計為4。即，聚合性隔離物前體(5)是一種不持有質子傳導性官能基卻具有 縮合聚合性官能基的化合物，由這個縮合聚合性官能基就能夠與聚合性電解質前體(4)進 行共聚。1個分子中存在的2個或者3個的R3，它們既可以是相同的也可以是不相同的。另 外，在1個分子中存在有2個R4的情況下，這2個R4既可以是相同的也可以是不相同的。作為表示R3的碳原子數為1 4的烷基與R1的情況相同，例如可以列舉甲基、乙 基、η-丙基、異丁基、η- 丁基、t- 丁基等。其中，從反應性的高度或者從聚合後的去除容易 的觀點出發，優選為甲基。爐表示-(012)!￡-(0&\義&，1表示0、1或者2，7表示4 18的整數。R4是以能 夠改善電解質前體混合物(7)與催化劑多孔構造體(3)表面的融合程度來進行選擇。聚合性電解質前體⑷與聚合性隔離物前體(5)的使用比例可以考慮所製造的聚 合物電解質的EW值或者非水溶性等進行適當的決定，但是通常摩爾比優選在0.5 15 1
6的範圍內。尤其更優選在1 10 1的範圍內。上述EW是Equivalent Weight的略稱，表示每一摩爾的磺酸基的乾燥電解質膜重 量。EW值越小那麼包含於其電解質的磺酸基的比率就越大。本發明中的電解質層因為達到 了高質子傳導度，所以作為燃料電池用電解質而與被廣泛使用的Nafion 相同程度，或者 優選具有更小的EW值。具體地說，在本發明中，由於優選電解質層小於1100的EW值，優選 調整聚合性電解質前體(4)與聚合性隔離物前體(5)的使用比例以滿足這一範圍。聚合性隔離物前體(5)既可以只使用一個種類，也可以組合多個種類來使用。對於包含在催化劑多孔構造體(3)中的全部催化劑顆粒(1)的表面，為了均勻且 有效地提供質子，優選聚合性電解質前體(4)與聚合性隔離物前體(5)能夠隨機發生共聚。 為了實現這種隨機性的共聚反應，優選挑選各種材料的組合。溶劑(6)用於溶解聚合性電解質前體(4)和聚合性隔離物前體(5)。作為這樣的 溶劑，優選能夠溶解各種化合物的極性溶劑，具體地說，可以列舉有丙酮、碳原子數為1 4 的醇(甲醇、乙醇、丙醇、丁醇)、二甲基乙醯胺、醋酸乙酯、醋酸丁酯、四氫呋喃等。溶劑(6) 既可以只使用一個種類也可以組合多個種類來加以使用。溶劑(6)的使用量只要能夠溶解聚合性電解質前體⑷和聚合性隔離物前體(5)， 沒有特別的限定。在調製電解質前體混合物(7)時，通過混合攪拌以上的各個成分即可。在工序S13中，通過使在工序S12調製的電解質前體混合物(7)含浸於由工序Sll 形成的催化劑多孔構造體(3)中，從而形成催化劑-電解質前體複合體(8)。由此，使電解 質前體侵入到催化劑多孔構造體(3)中的細微構造內部。對含浸手法並沒有特別的限定，在將混合物(7)噴塗或者塗布到催化劑多孔構造 體(3)表面之後，根據必要可加以靜置。在該工序中因為不是將高分子電解質塗布於催化劑多孔構造體(3)表面而是將 聚合前的低分子狀態下的電解質前體塗布於催化劑多孔構造體(3)表面，所以該前體能夠 有效地一直侵入至催化劑多孔構造體(3)表面的細微的凹凸或者細孔的內部。在工序S14中，在由工序S13所形成的催化劑-電解質前體複合體(8)中使聚合 性電解質前體(4)與聚合性隔離物前體(5)發生共聚從而形成非水溶性的聚合物電解質層 (9)。由此，就形成了含有基材(11)、催化劑顆粒(1)、多孔性碳顆粒(2)以及聚合物電解質 層(9)的燃料電池用電極(10)。在所述共聚中，為使在具有聚合性電解質前體(4)和聚合性隔離物前體(5)的縮 合聚合性官能基之間進行縮合聚合反應，適當地選擇加熱和/或減壓等條件。由此，溶劑 (6)或者伴隨著聚合反應的進行而產生的揮發性副產物被除去，並且形成包含聚合性電解 質前體和聚合性隔離物前體的共聚物的非水溶性的聚合物電解質層。如上所述製造方法而成的燃料電池用電極(10)具有細微的催化劑顆粒被擔載在 粘結於基材表面的多孔性碳顆粒表面並且進一步從其上面均勻地形成由聚合反應而形成 的電解質層的構造。該電極與將高分子電解質塗布於催化劑多孔構造體(3)表面進行制 造的電極不同，因為是在將聚合前的低分子狀態下的電解質前體塗布於催化劑多孔構造體 (3)表面之後進行聚合反應而形成電解質層，所以電解質層能夠均勻而且高分散地被形成 到催化劑多孔構造體(3)表面的細微的凹凸或者細孔的內部。因此，能夠充分地將電解質層配置到被配置於多孔性碳顆粒中細微構造內部的催化劑顆粒附近，並且還能夠在催化劑 多孔構造體表面上高密度而且高分散地形成作為質子輸送通道的電解質層。在催化劑多孔構造體(3)表面的多孔性碳顆粒(2)上也存在著最小几個nm尺寸 的細孔，如果根據本發明的製造方法，在這些細孔的內部也能夠形成有電解質層。但是，如 果由現有的方法將高分子電解質的分散溶液塗布於催化劑多孔構造體(3)表面，因為在溶 劑中高分子電解質的粒徑大於細微孔的孔徑，所以要將電解質層形成於像那樣的細微孔的 內部是極為困難的。另外，在燃料電池的陰極上因為工作中會連續產生水，所以本發明中，要求電解質 層是對水顯示不溶性的物質。這一非水溶性是根據所使用的聚合性電解質前體(4)的構造 以及聚合性隔離物前體(5)的構造或者使用比例等進行控制。根據本發明製造而成的電極作為燃料電池的陰極使用。該陰極是隔著包含 Nafion (DuPont公司制商品名)等的全氟磺酸類高分子的電解質膜，與陽極相對向配置， 還通過夾入隔離膜，從而就可以作為燃料電池構成。實施例以下通過實施例來進一步詳細地說明本發明，但是本發明並不只限於這些實施 例。(參考例)本發明中的聚合物電解質層的製造以及評價按照所述方法，首先通過用氧化劑來處理具有硫醇基和縮合聚合性矽基的化合物 稀釋溶液，從而變換成具有磺酸基和縮合聚合性矽基的聚合性電解質前體(4)。之後，在這 裡添加雖然沒有磺酸基但卻有縮合聚合性矽基的聚合性隔離物前體(5)並加以混合從而 製作出電解質前體混合物(7)。最後通過由減壓和/或加熱進行乾燥來除去溶劑等的揮發 成分使進行共聚反應，從而獲得不溶於水的電解質層。具體地說，按以下順序進行。用t- 丁醇(和光純藥株式會社制)來稀釋30mmol 具有硫醇基的三甲氧基矽烷化合物((MeO)3Si-(CH2)3-SH,東京化成株式會社制)，調製 出10襯％的溶液。將30%的過氧化氫水溶液添加到這個硫代化合物溶液中，通過在氮 氛圍氣體以及室溫條件下攪拌混合15小時從而進行氧化反應。之後，添加15mmol的 (EtO) 3Si-(CH2)2-(CF2) 5-CF3(日本 Sigma-Aldrich Corporation 制)並攪拌 15 分鐘，通過進 一步添加超純水並加以混合，從而獲得作為無色透明均勻的溶液的電解質前體混合物(7)。 由該工序而獲得所述硫代化合物中的硫醇基被氧化，而得到具有變換的磺酸基的矽烷化合 物(RO)3Si-(CH2)3-SO3H(RC) = HO 或者 MeO)和(EtO) 3Si_ (CH2) 2-(CF2) 5CF3 的摩爾比為 2 1 的均勻混合液。另外，作為上述電解質前體混合物(7)的調製方法也可以考慮用以下的方法。例 如，預先將t- 丁醇作為溶劑，對於以所希望的摩爾比混合持有硫醇基的的三烷氧基矽烷化 合物(MeO)3Si-(CH2)3-SH和(EtO)3Si-(CH2)2-(CF2)5CF3 的溶液，添加 30%過氧化氫水溶液。 由憑靠過氧化氫的氧化反應就能夠將硫醇基變換成磺酸基。接著，在將電解質前體混合物(7)的上述溶液展開於淺底盤之後，通過在減壓條 件下漸漸餾去溶劑等的揮發成分，使基於矽基之間的縮合反應進行共聚反應，結果獲得固 體塊狀非水溶性電解質層。上述物質被認為是具有矽氧烷(Si-O-Si)骨骼。為了確認所獲得的固體塊狀電解質層的對水不溶性，而將該固體塊狀物浸泡於水
8中並攪拌一晝夜。提取上清液並減壓蒸餾去水分，因為沒有觀察到聚矽氧烷膜，所以確認上 述電解質層的對水不溶性。另夕卜，對於合成的該固體塊狀物質，在進行了固體NMR測定之後判明在 13C-DDMAS-WR(single pulse & IH decouple)以及 29Si-CPMAS-WR(IH — 13C cross polarization & IH decouple)中，實測到的信號峰值的化學位移值因為與根據目的分子 構造所預想的理論值非常一致，所以合成的物質為具有目的分子構造的共聚物。按照與上述方法相同的方法，調製以(RO)3Si-(CH2)3-SO3H與 (EtO)3Si-(CH2)2-(CF2)5CF3 的各種摩爾比 η 1 (η = 20、15、10、8、6、4、2 或者 1)進行混合 的電解質前體混合物(7)。在將各個電解質前體混合物展開於淺底盤之後，經過根據減壓餾 去溶劑的聚合反應從而獲得膜狀物質的電解質層。與上述相同，在確認電解質層的對水不溶性之後，了解到η = 1 10的電解質層 具有對水不溶性。另外，也了解到η = 15或者20的電解質層溶解於水。另外，確認了上述η = 1 10的電解質層對於有機溶劑的溶解性。將上述電解質 層浸泡於丙酮、醇或者含氯類溶劑並攪拌一晝夜，之後判明無論哪一個溶劑中上述電解質 層都不會溶解。(實施例)(1)催化劑多孔構造體的製作由球磨機混合粒徑大約為50nm的乙炔炭黑4. Og(電氣化學工業株式會社制)、聚 丙烯腈2.0g(日本Sigma-Aldrich Corporation制)以及二甲基乙醯胺(和光純藥株式會 社制)。將1. 69g的該混合分散液滴下至面積為19. 6cm2的碳紙上，並在真空容器中以室溫 條件使溶劑蒸發。接著，使用恆溫真空乾燥器並在120°C的溫度條件下對所述碳紙進行加熱 處理2小時。最後，將該碳紙轉移到氬氛圍氣體環境下的紅外熱像爐內，以每秒20°C的升溫 速度從室溫開始進行升溫，在溫度到達800°C的條件下加熱處理30分鐘。如上所述，得到碳 紙，在其表面形成有粘結於碳薄膜的多孔性碳細微粉末層。將氯鉬酸(IV) · 6水合物(和光純藥株式會社制)0. 95g、聚醯胺酸溶液7. 85g以 及二甲基乙醯胺(和光純藥株式會社制，特級)17. 5g混合，使被調製的含鉬聚醯胺酸溶液 1.26g滴下至上述獲得的碳紙上，並在真空中除去溶解劑。接著，使用恆溫真空乾燥器並在 200°C的溫度條件下對碳紙進行乾燥2小時。最後，在氬氛圍氣體環境下的紅外熱像爐內， 以每秒10°C的升溫速度進行升溫，在溫度到達800°C條件下加熱30分鐘。如上所述，對於 粘結於碳紙的多孔性碳細微粉末，製作出具有白金納米顆粒被高度分散固定構造的催化劑 多孔構造體。另外，所述聚醯胺酸溶液是使用120g的溶劑二甲基乙醯胺並使4，4』- 二氨基二苯 基醚(東京化成株式會社制)5. OOg和無水均苯四甲酸(東京化成株式會社制)5. 45g發生 聚合反應調製而成。(2)燃料電池用電極A C的製造首先，按照上述方法，調製三種具有表1所示的組成的電解質前體混合物。 該三種電解質前體混合物(7)以表1所示的規定摩爾比來含有聚合性電解質前體 (RO) 3Si-(CH2) 3-SO3H和聚合性隔離物前體(EtO) 3Si-(CH2) 2- (CF2) 5CF3。包含於這些電解質 前體混合物中的(RO) 3Si-(CH2) 3-SO3H以及(EtO) 3Si-(CH2) 2- (CF2) 5CF3是以低分子狀態被溶
9劑化。接著，對於如上所述獲得的催化劑多孔構造體，滴下上述各個電解質前體混合物， 靜置1小時使其浸漬。之後，經過憑藉在減壓條件下除去揮發成分以及在加熱條件下進行 真空乾燥的聚合反應，從而製作出含有電解質層的燃料電池用電極A C。另外，在上述聚合反應中按照一般的聚矽氧烷的合成反應條件，在80°C · 2小時的 真空乾燥條件下形成電解質層。(表 1)
權利要求
一種燃料電池用電極的製造方法，其特徵在於包括以下工序通過將催化劑顆粒和多孔性碳顆粒粘結於基材上從而形成催化劑多孔構造體的工序，調製電解質前體混合物的工序，該電解質前體混合物中含有由(R1O)3Si R2 SO3H所表示的聚合性電解質前體、由(R3O)mSiR4n所表示的聚合性隔離物前體以及溶劑，式中，R1表示氫原子或者碳原子數為1～4的烷基，R2表示碳原子數為1～15的亞烴基，R3表示氫原子或者碳原子數為1～4的烷基，R4表示 (CH2)x (CF2)y CF3，其中x表示0、1或者2，y表示4～18的整數，m表示2或者3，n表示1或者2，但是m和n的合計為4，通過使所述催化劑多孔構造體中含浸所述電解質前體混合物從而形成催化劑 電解質前體複合體的工序，獲得燃料電池用電極的工序，通過在所述催化劑 電解質前體複合體中進行所述聚合性電解質前體與所述聚合性隔離物前體的共聚反應，從而形成包含所述聚合性電解質前體與所述聚合性隔離物前體的共聚物的非水溶性的聚合物電解質層，並獲得包含所述基材、所述催化劑顆粒、所述多孔性碳顆粒以及所述聚合物電解質層的燃料電池用電極。
2.如權利要求1所述的燃料電池用電極的製造方法，其特徵在於所述溶劑是選自丙酮、碳原子數為1 4的醇、二甲基乙醯胺、醋酸乙酯、醋酸丁酯以及 四氫呋喃中的至少一種。
3.一種燃料電池用電極，其特徵在於是一種包含催化劑多孔構造體和非水溶性的電解質層的燃料電池用電極，所述催化劑 多孔構造體包含基材、催化劑顆粒以及多孔性碳顆粒，所述非水溶性的電解質層被設置於 所述催化劑多孔構造體的表面，所述電解質層包含由(R1O)3Si-R2-SO3H所表示的聚合性電解質前體和由(R3O)mSiR4nK 表示的聚合性隔離物前體的共聚物，式中，R1表示氫原子或者碳原子數為1 4的烷基， R2表示碳原子數為1 15的亞烴基，R3表示氫原子或者碳原子數為1 4的烷基，R4表 示-(CH2) x-(CF2)y-CF3，其中χ表示0、1或者2，y表示4 18的整數，m表示2或者3，η表 示1或者2，但是m和η合計為4。
4.一種燃料電池，其特徵在於包括包含權利要求3的燃料電池用電極的陰極、陽極以及被設置於所述陰極與所述陽 極之間的電解質層。
全文摘要
本發明提供一種燃料電池用電極的製造方法，通過擴大高分子電解質與催化劑顆粒的接觸面積，從而增大三相界面的面積來提高催化劑顆粒表面的利用率，並且能夠製造出具有高發電特性的電極。在本發明的製造方法中，通過將催化劑顆粒和多孔性碳顆粒粘結於基材上形成催化劑多孔構造體，調製含有聚合性電解質前體、聚合性隔離物前體以及溶劑的電解質前體混合物，使催化劑多孔構造體含浸電解質前體混合物，形成催化劑-電解質前體複合體。通過在該複合體中進行化合物的共聚反應，形成包含共聚物所的非水溶性的聚合物電解質層，從而獲得燃料電池用電極。
文檔編號H01M4/86GK101983450SQ200980112000
公開日2011年3月2日 申請日期2009年9月30日 優先權日2009年4月28日
發明者近藤淳一 申請人:松下電器產業株式會社