燃料电池用催化剂层的制造方法、膜电极接合体的制造方法及燃料电池的制造方法与流程

本公开涉及膜电极接合体和燃料电池。

背景技术：

1、燃料电池具备膜电极接合体，该膜电极接合体具有电解质膜及夹着该电解质膜的一对电极。一对电极分别从电解质膜侧依次具备催化剂层和气体扩散层。

2、在专利文献1中，提出了如下方案：使用导电性纳米柱状体(以下，简称为柱状体。)和包含催化剂的催化剂层，使埋入防止层介于催化剂层与电解质膜之间，所述导电性纳米柱状体在相对于催化剂层(电解质膜)的面方向大致垂直的方向取向，所述催化剂层担载于柱状体。

3、催化剂层通过化学气相生长法在基板上形成在与该面方向大致垂直的方向上取向的柱状体，通过将基板上的柱状体转印到电解质膜上而形成。埋入防止层是为了抑制伴随着上述转印而柱状体端部埋入电解质膜而导致的催化剂的利用率降低而设置的。

4、另外，专利文献1公开了一种具有导电性的片材(下同)状的多孔质基材(以下，简称为基材。)的催化剂层侧的表面形成有包含导电性材料和防水性树脂的防水层的气体扩散层、在基材的催化剂层侧浸渍有防水性树脂的气体扩散层。专利文献1公开了碳纸、碳布等基材、厚度50μm以上的基材。

5、另一方面，在专利文献2中，提出了如下方案：与专利文献1同样地使用导电性纳米柱状体和担载于柱状体的催化剂，柱状体相对于电解质膜的面方向以60°以下的倾斜取向，柱状体的一端埋设于电解质膜。

6、现有技术文献

7、专利文献

8、专利文献1：国际公开第2013/065396号

9、专利文献2：日本特开2007-257886号公报

技术实现思路

1、在制作膜电极接合体、单电池或多个单电池的层叠体(电池堆)时，有时对膜电极接合体施加其厚度方向的外力。专利文献1的柱状体在相对于催化剂层(电解质膜)的面方向大致垂直的方向上取向，并且其两端部分别与电解质膜和气体扩散层接触。因此，若施加厚度方向的外力，则应力集中于柱状体的两端部，会产生柱状体弯曲、或者其端部刺破(下同)电解质膜或气体扩散层这样的不良情况。若产生这样的不良情况，则在催化剂层内形成的空隙(气体路径)产生偏差，在催化剂层的一部分气体扩散性降低。专利文献2的柱状体是相对于电解质膜的面方向倾斜地取向，电解质膜侧的一端埋设在电解质膜中的结构。与上述同样地，若施加柱状体的厚度方向的外力，则附加于柱状体的应力直接附加于电解质膜，导致电解质膜的破损。而且，柱状体在倾斜方向上取向，因此应力集中于柱状体的侧表面部，导致柱状体的弯曲。若产生这样的弯曲，则与相邻的柱状体之间的距离缩小，因此产生气体路径的偏差，导致气体扩散性的降低。

2、催化剂颗粒担载于柱状体的凹凸少的表面，因此在发电时催化剂颗粒在柱状体表面移动，多个催化剂颗粒彼此凝聚，催化剂颗粒能够粗大化。随着催化剂颗粒的粗大化，催化剂颗粒尺寸的偏差增大时，催化剂层内的气体扩散性降低，电流局部地集中，由于与其相伴的发热，有时电解质膜劣化。另外，催化剂颗粒粗大化时，催化剂颗粒表面的质子传导性树脂的包覆状态发生变化，有时质子传导电阻增大。

3、另外，专利文献1的气体扩散层由于包含上述基材，因此柔软性低。上述的气体扩散层难以追随上述催化剂层的表面，催化剂层与气体扩散层的密合性低。催化剂层与气体扩散层的低密合性对从气体扩散层向催化剂层的反应气体的供给及从催化剂层向气体扩散层的生成水的排出产生影响。

4、在膜电极接合体的制作时，为了使上述的催化剂层与上述的气体扩散层密合而在高压力下进行热压时，则如上述那样产生柱状体的弯曲、向气体扩散层等的扎入，催化剂层的气体扩散性降低。

5、本公开的一个方案涉及燃料电池用催化剂层的制造方法，所述燃料电池用催化剂层具备纤维状导电构件和催化剂颗粒，其中，所述纤维状导电构件的长度l与所述燃料电池用催化剂层的厚度t满足关系式：l/t≤3，所述纤维状导电构件相对于所述燃料电池用催化剂层的面方向倾斜，所述制造方法具备：调制墨水的步骤，所述墨水包含所述纤维状导电构件和催化剂颗粒；以及在电解质膜的表面涂布所述墨水并使其干燥而形成所述催化剂层的步骤；或者，在转印用基材片材上涂布所述墨水并使其干燥而形成催化剂层，然后将催化剂层转印到电解质膜上的步骤。

6、本公开的一个方案涉及燃料电池用催化剂层，其具备纤维状导电构件和催化剂颗粒，纤维状导电构件相对于催化剂层的面方向倾斜，该纤维状导电构件的长度l与催化剂层的厚度t满足关系式：l/t≤3。

7、本公开的另一方案涉及燃料电池，其具备膜电极接合体，上述膜电极接合体具有电解质膜和夹着上述电解质膜的一对电极，上述一对电极中的至少一方具备上述催化剂层。

8、本公开的另一方案涉及燃料电池用催化剂层，其具备纤维状导电构件和催化剂颗粒。纤维状导电构件相对于催化剂层的面方向倾斜，催化剂颗粒包含具备核部和壳部的第1颗粒。壳部覆盖核部并且包含与核部不同的成分。

9、本公开的另一方案涉及燃料电池，其具备膜电极接合体，上述膜电极接合体具有电解质膜和夹着电解质膜的一对电极，一对电极中的至少一方具备上述催化剂层。

10、本公开的一个方案涉及膜电极接合体，其具备电解质膜和夹着电解质膜的一对电极。一对电极分别从电解质膜侧依次具备催化剂层和气体扩散层。一对电极中的至少一方的催化剂层包含第1纤维状导电构件和催化剂颗粒。第1纤维状导电构件的长度l1与催化剂层的厚度t1满足关系式：l/t≤3，第1纤维状导电构件相对于催化剂层的面方向倾斜。一对电极中的至少一方的气体扩散层由包含导电性材料和高分子树脂的多孔质层构成。

11、本公开的另一方案涉及燃料电池，其具备上述的膜电极接合体和夹着上述膜电极接合体的一对隔膜。

12、根据本公开，能够在催化剂层整体中得到良好的气体扩散性，其结果是，能够提高燃料电池的输出特性。

13、另外，根据本公开，能够在催化剂层整体中得到良好的气体扩散性，并且能够抑制催化剂颗粒的粗大化。

14、根据本公开，能够在催化剂层整体中得到良好的气体扩散性，并且催化剂层与气体扩散层的密合性提高。其结果是，能够提高燃料电池的发电性能。

技术特征：

1.一种燃料电池用催化剂层的制造方法，所述燃料电池用催化剂层具备纤维状导电构件和催化剂颗粒，其中，

2.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂层的制造方法，其中，

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用催化剂层的制造方法，其中，

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池用催化剂层的制造方法，其中，

5.根据权利要求1或2所述的燃料电池用催化剂层的制造方法，其中，

6.一种燃料电池的制造方法，其中，

7.一种燃料电池用催化剂层的制造方法，所述燃料电池用催化剂层具备纤维状导电构件和催化剂颗粒，其中，

8.根据权利要求7所述的燃料电池用催化剂层的制造方法，其中，

9.根据权利要求7或8所述的燃料电池用催化剂层的制造方法，其中，

10.根据权利要求7或8所述的燃料电池用催化剂层的制造方法，其中，

11.根据权利要求7或8所述的燃料电池用催化剂层的制造方法，其中，

12.一种燃料电池的制造方法，其中，

13.一种膜电极接合体的制造方法，其中，

14.根据权利要求13所述的膜电极接合体的制造方法，其中，

15.根据权利要求13或14所述的膜电极接合体的制造方法，其中，

16.根据权利要求13或14所述的膜电极接合体的制造方法，其中，

17.根据权利要求16所述的膜电极接合体的制造方法，其中，

18.根据权利要求16所述的膜电极接合体的制造方法，其中，

19.根据权利要求13或14所述的膜电极接合体的制造方法，其中，

20.根据权利要求19所述的膜电极接合体的制造方法，其中，

21.一种燃料电池的制造方法，其中，

技术总结
本发明提供一种燃料电池用催化剂层的制造方法、膜电极接合体的制造方法以及燃料电池的制造方法。所述燃料电池用催化剂层具备纤维状导电构件和催化剂颗粒，其中，所述纤维状导电构件的长度L与所述燃料电池用催化剂层的厚度T满足关系式：L/T≤3，所述纤维状导电构件相对于所述燃料电池用催化剂层的面方向倾斜，所述制造方法具备：调制墨水的步骤，所述墨水包含所述纤维状导电构件和催化剂颗粒；以及在电解质膜的表面涂布所述墨水并使其干燥而形成所述催化剂层的步骤；或者，在转印用基材片材上涂布所述墨水并使其干燥而形成催化剂层，然后将催化剂层转印到电解质膜上的步骤。

技术研发人员：石本仁,山崎和哉,井村真一郎,南浦武史,岛崎幸博,江崎贤一
受保护的技术使用者：松下知识产权经营株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13