制造用于燃料电池的催化剂层的方法和装置制造方法及图纸

一种制造用于燃料电池的催化剂层的方法，其包括气相沉积纳米尺寸结构例如碳纳米壁（ＣＮＷ）作为催化剂层载体的步骤，和将催化剂组分和／或电解质组分放置／散布在催化剂层载体上的步骤。此方法简化了燃料电池电极层的制造过程，同时改进了催化剂组分和电解质的可散布性，并因此提高了燃料电池的发电效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于聚合物电介质燃料电池的催化剂层，其简化了制造过程，其中可形成均匀的催化剂层薄膜，并形成充足的三相界面。本专利技术还涉及一种采用这种催化剂层的燃料电池以及制造用于燃料电池的催化剂层的装置。
技术介绍
期望将具有聚合物电解质膜、尺寸和重量容易减小的聚合物电解质燃料电池实际用作移动车辆例如电动车、小型余热发电系统的电源等。但是，聚合物电解质燃料电池具有较低的工作温度，并且其余热不易用于有效发电的辅助设备。因此，其实际应用要求在阳极反应气体(例如纯氢)和阴极反应气体(例如空气)高利用率的工作环境中获得高发电效率和高输出功率密度。在聚合物电解质燃料电池中，采用如下结构的膜电极组件，即将具有燃料氧化能力和氧化剂还原能力的电极电解质层设置在上述离子交换膜的两侧，并将气体扩散层进一步设置在催化剂层的外部。特别是，此结构包括由用于选择性传输氢离子的聚合物电解质膜组成的离子交换膜，在其两侧都形成有主要由负载铂族金属催化剂的碳粉末构成的电极催化剂层。在电极催化剂层的外表面上形成既有可透过燃料气体又有导电性的气体扩散层。通常，气体扩散层包括碳纸或碳布，在其上由包括氟树脂、硅、碳等粉末的浆料形成膜。上述电极催化剂层和气体扩散层称为电极。每个聚合物电解质燃料电池的阳极和阴极的催化剂层中的电极反应在三相界面(下文称为反应部位)上进行，在这里相应的反应气体、催化剂、-->和含氟离子交换树脂(电解质)同时存在。因此，在聚合物电解质燃料电池中，催化剂例如金属催化剂或负载金属的催化剂(例如由大比表面积且上面负载金属催化剂例如铂的碳黑载体组成的负载金属的碳)通常涂敷有和聚合物电解质膜相同或者不同类型的含氟离子交换树脂，以提供催化剂层材料，从而实现催化剂层中反应部位所谓的三维化以扩大反应部位。上述用以涂敷催化剂的含氟离子交换树脂的典型实例为由DuPont生产的Nafion，其为具有高离子传导性和磺酸基并且在氧化和还原空气中化学稳定的全氟化碳聚合物(下文称为硫酸型全氟化碳聚合物)。目前，通过以下步骤制造燃料电池的电极催化剂层：制造碳黑，使碳黑负载主要由铂族组成的催化剂金属，以质子导体浸渍催化剂，制造墨汁形式的合成电解质铂/碳黑，并将墨汁施加到电解质膜上。这样，涉及大量步骤，而质子导体的散布经常不成功，造成不能充足地形成电解质、铂和载体的三相界面。如上所述，三相界面指质子传导聚合物、催化剂金属和燃料气体的界面；此界面的形成对发电有重要影响。常规技术的问题总结如下。(1)难以获得均匀催化剂层薄膜。(2)低生产率(即催化剂层合成步骤较多)。(3)因为大量生产步骤造成的成本增加。(4)三相界面的形成不足，这造成燃料气体不能到达界面以及不能发挥电池的全部性能(即Pt利用率较低)。认为这些问题产生的原因如下。(1)将催化剂施加至电解质要求催化剂为墨汁形式。当施加墨汁时难以获得均匀的薄膜厚度，这造成不均匀生电。不同材料的兼容性使得难以制备墨汁。(2)常规催化剂层制造过程需要多个步骤：使制造的载体负载催化剂组分然后混合电解质溶液，并因此造成生产率下降。(3)大量步骤增加了所需要设备的数量和尺寸并增加了成本。(4)因为常规催化剂层制造过程包括负载催化剂金属和随后的-->浸泽电解质，因此电解质覆盖催化剂组分，并造成三相界面形成不足，而这对电池性能极其重要。因此，电池性能可能会下降。关于和催化剂层相关的技术，在Electrochem，Acta.，vol.38，No.6，p.793(1993)中提出，将碳纤维用作催化剂载体，这里将催化剂颗粒负载在碳纤维表面上。但是，如果制造负载催化剂颗粒的碳纤维并在集流体表面上形成此纤维以形成用作燃料电池的电极，那么尽管在电解质膜附近产生的电子在到达集流体之前在颗粒(纤维)之间移动的可能性较小，但是通常需要颗粒之间的多次传输，这使得难以充分提高导电性。因此，难于以燃料电池常规电极将催化剂层的导电性提高到足够高的水平，并因此不可能实现足够高的燃料电池发电效率。日本专利公开(Kokai)2002-298861A公开了一种用于燃料电池的电极的专利技术，其目标在于提供一种高发电效率的燃料电池，实现此燃料电池的燃料电池电极，和制造实现此燃料电池的燃料电池电极的方法。此电极包括由导电多孔材料制成的集流体、由50％以上的尖端部分相对于集流体平面具有45°或更大仰角的碳纳米纤维组成的催化剂层、负载在碳纳米纤维表面上的电极催化剂颗粒、以及在和电极催化剂颗粒接触的碳纳米纤维表面上形成的质子导体。
技术实现思路
在日本专利公开(Kokai)2002-298861A公开的上述专利技术可简化燃料电池的包括电极催化剂层和气体扩散层的电极的制造过程，并改进催化剂层的导电性，从而可在一定程度上提高燃料电池发电效率。但是改进程度不够。因此，考虑到现有技术的问题，本专利技术的目标在于简化燃料电池的包括电极催化剂层和气体扩散层的电极的制造过程，并充分形成三相界面，从而可提高燃料电池的发电效率。本专利技术是基于专利技术人认识到，上述问题可如下解决，采用具有用于燃-->料电池电极的扩散层和/或催化剂层的气相生长纳米尺寸结构的具体碳多孔材料，以及尤其是在相同的腔内进行催化剂组分和/或电解质的负载和散布。一方面，本专利技术提供一种制造用于燃料电池的催化剂层的方法。此方法包括以下步骤：气相生长具有纳米尺寸结构的碳多孔材料例如碳纳米壁(CNW)作为用于催化剂层的载体；以及将催化剂组分和/或电解质组分负载并散布在用于催化剂层的载体上。碳纳米壁(CNW)为具有纳米尺寸结构的碳多孔材料。下文将描述其结构、制造方法等等。本专利技术采用的催化剂和聚合物电解质可以是广泛已知的催化剂和聚合物电解质。和常规燃料电池结构制造方法相比，上述方法可大大简化制造过程。此方法还可充分形成三相界面。此外，因为具有纳米尺寸结构的碳多孔材料例如碳纳米壁(CNW)具有大的比表面面积，所以可减少采用的铂族贵金属催化剂的量。优选，在相同的腔内进行本专利技术的制造用于燃料电池的催化剂层的方法步骤。特别是，例如：(a)在相同的腔内，进行步骤(1)，气相生长具有纳米尺寸结构的碳多孔材料作为用于催化剂层的载体，然后同时进行步骤(2)将催化剂组分负载并散布在用于催化剂层的载体上和步骤(3)使电解质组分负载和散布在用于催化剂层的载体上。(b)在相同的腔内，先进行步骤(1)气相生长具有纳米尺寸结构的碳多孔材料作为用于催化剂层的载体，然后进行步骤(2)将催化剂组分负载并散布在用于催化剂层的载体上，接下来进行步骤(3)使电解质组分负载和散布在用于催化剂层的载体上。(c)在相同的腔内，进行步骤(1)气相生长具有纳米尺寸结构的碳多孔材料作为用于催化剂层的载体，然后进行步骤(3)使电解质组分负载和散布在用于催化剂层的载体上，接下来进行步骤(2)将催化剂组分负载并散布在用于催化剂层的载体上。(b)在相同的腔内，同时进行步骤(1)气相生长具有纳米尺寸结构-->的碳多孔材料作为用于催化剂层的载体、步骤(2)将催化剂组分负载并散布在用于催化剂层的载体上、步骤(3)使电解质组分负载和散布在用于催化剂层的载体上。优选，通过从下述方法选择的一种或多种方法执行步骤(2)将催化剂组分负载并散布在用于催化剂层的载体上和/或步骤(3)使电解质组分负载和散布在用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造用于燃料电池的催化剂层的方法，所述方法包括以下步骤：气相生长具有纳米尺寸结构的碳多孔材料作为用于催化剂层的载体；以及将催化剂组分和／或电解质组分负载并散布在用于催化剂层的载体上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2005-2-14 036078/20051.一种制造用于燃料电池的催化剂层的方法，所述方法包括以下步骤：气相生长具有纳米尺寸结构的碳多孔材料作为用于催化剂层的载体；以及将催化剂组分和/或电解质组分负载并散布在用于催化剂层的载体上。2.根据权利要求1的制造用于燃料电池的催化剂层的方法，其中所述具有纳米尺寸结构的碳多孔材料包括碳纳米壁(CNW)。3.根据权利要求1或2的制造用于燃料电池的催化剂层的方法，包括以下步骤：(1)气相生长具有纳米尺寸结构的碳多孔材料作为用于催化剂层的载体；(2)将催化剂组分负载并散布在用于催化剂层的载体上；以及(3)同时使电解质组分成为被负载和散布在用于催化剂层的载体上，其中在相同的腔内同时执行步骤(2)和(3)。4.根据权利要求1或2的制造用于燃料电池的催化剂层的方法，包括以下步骤：(1)气相生长具有纳米尺寸结构的碳多孔材料作为用于催化剂层的载体；(2)然后将催化剂组分负载并散布在用于催化剂层的载体上；以及(3)然后使电解质组分成为被负载和散布在用于催化剂层的载体上，所述步骤在相同的腔内执行。5.根据权利要求1或2的制造用于燃料电池的催化剂层的方法，包括以下步骤：(1)气相生长具有纳米尺寸结构的碳多孔材料作为用于催化剂层的载体；-->(2)然后使电解质组分成为被负载并散布在用...

【专利技术属性】
技术研发人员：堀胜，平松美根男，加纳浩之，吉田怜，片山幸久，杉山彻，
申请(专利权)人：堀胜，平松美根男，丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]