[发明专利]催化剂层、膜电极组件以及电化学电池

说明书

引用的相关申请

本申请基于之前于2011年3月28日提交的日本专利申请No.2011-069148，并要求其优先权权益，其全部内容通过援引加入本申请文件中。

技术领域

实施方案主要涉及催化剂层、膜电极组件及电化学电池。

背景技术

诸如聚合物电解质电化学电池的电化学电池已经在燃料电池、水电解等领域得到了广泛的研究。

在这些电化学电池中，例如燃料电池是一种诸如氢的燃料与诸如氧的氧化剂进行电化学反应产生电力的系统。其中，与其他燃料电池相比，聚合物电解质燃料电池(PEFC)可在低温下操作，其反应产物是水，从而降低环境负荷。因此，已经开发这种电池并提供到实际使用中作为家喻户晓的固定电源，且进一步作为汽车的动力源。这种聚合物电解质燃料电池具有膜电极组件(MEA)，该膜电极组件主要包括一个具有质子传导性的聚电解质膜和两个电极，即要供给氢的燃料电极(阳极)和要供给空气的空气电极(阴极)，这两个电极夹在所述膜中间。

对于聚合物电解质燃料电池中使用的每个电极的催化剂层来说，通常采用碳载催化剂控制催化剂层中的孔隙并抑制催化剂结块。

已经研究了浆法、溅射法或气相沉积法以提供催化剂层。

发明内容

本发明提供了对电化学电池的膜电极组件中的电极的催化剂材料在耐用性和使用效率方面的改善，特别是在循环耐用性方面。

实施方案中的催化剂层包括层状结构。所述层状结构包括层压结构。所述层压结构包括片状单元催化剂和孔隙层。所述片状单元催化剂的平均厚度为4至30纳米。所述孔隙层夹在所述片状单元催化剂之间。

附图说明

在阅读下面的详细说明以及参考附图后，本申请所公开的方面将变得显而易见。

图1是显示第一个实施方案的催化剂层的SEM图像。

图2是显示所述催化剂层的部分放大截面的TEM图像。

图3是显示传统粒状催化剂放大部分的SEM图像。

图4是放大催化剂层部分截面的SEM图像。

图5A至5C是显示催化剂层制备步骤的图。

图6是形成作为典型单元的催化剂层的截面SEM图像。

图7是示意性地显示包括第一个实施方案的催化剂层的膜电极组件的剖面图。

图8是显示耐用性试验电压变化的图。

发明详述

另一个实施方案的催化剂层，包括在片状单元催化剂的厚度方向上层压的片状单元催化剂的层压结构。

另一个实施方案的膜电极组件包括催化剂层。

另一个实施方案的电化学电池，包括膜电极组件。

在下文中，将参考附图对实施方案进行说明。

第一实施方案

当在车辆上使用诸如聚合物电解质燃料电池(PEFC)的电化学电池时，用于催化剂层中的碳载催化剂的碳载体由于车辆的启动和停止而严重腐蚀，从而加速了在催化剂层以及膜电极组件中的进一步恶化。因此，要求改善催化剂层，从而提高耐用性，特别是循环耐用性。

为改善催化剂层，已研究了经溅射或气相沉积形成的催化剂层和使用催化剂形成的电极，从而达到比使用常规的碳载催化剂的催化剂层更高的耐用性。例如，作为经溅射形成催化剂层的方法，已经研究了将铂催化剂材料溅射到晶须基材上而形成无碳催化剂层。该方法具有耐用性高和催化剂用量少的优点。然而，铂催化剂块达到数十纳米的大小，因此需要改善催化剂材料的使用效率。

此外，已经研究了在催化剂层内形成孔隙。孔隙通过使用与成孔材料混合的催化剂材料形成催化剂层，随后通过溶解去除成孔材料而形成。近年来，已经对层压结构进行了研究。该层压结构包括催化剂聚集层和孔隙层。该层压结构通过经溅射依次沉积混合层和成孔材料层而形成。该混合层包括催化剂材料和成孔材料。该层压结构通过溶解去除所得混合层和成孔材料层内的成孔材料而形成，从而使催化剂的使用效率高。然而，耐用性等还不够。需要进一步改善耐用性。

为了提高在电化学电池的膜电极组件(MEA)的电极中催化剂层的催化剂材料的使用效率和耐用性，本发明人致力于这些研究并得到了以下用于控制催化剂层精细结构的发现。

根据实施方案，催化剂层包括层压结构，其中具有平均厚度4到30nm的片状单元催化剂被层压，孔隙层分别在片状单元催化剂之间。

必须指出，在实施方案中，所述片状单元催化剂和孔隙层统称为催化剂层。片状单元催化剂包括在电化学电池MEA的整个电极内。