專利名稱：用于燃料電池的電極催化劑層及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于燃料電池的電極催化劑層。
背景技術：
燃料電池通常具有被交替地堆疊的多個發(fā)電單元和多個隔板。各發(fā)電單元具有膜電極組件，所述膜電極組件包括電解質膜和配置在電解質膜兩
側的2個電極催化劑層。
另外，在日本專利文獻特開2003-173785號公報中，記載了在厚度方向上催化劑的濃度分布不同的第1催化劑層和在沿表面的方向上催化劑的濃度分布不同的第2催化劑層。另外，在該文獻中，記載了在厚度方向上防水劑的量不同的第3催化劑層和在沿表面的方向上防水劑的量不同的第4催化劑層。并且，在該文獻中還記載了在厚度方向上親水劑的量不同的第5催化劑層和在沿表面的方向上親水劑的量不同的第6催化劑層。
另外，作為這種燃料電池，例如在日本專利文獻特開2006-40767號公報、日本專利文獻特開2006-134886號公報、以及日本專利文獻2006-228501號公報中記載的燃料電池已被公知。
電極催化劑層含有催化劑，優(yōu)選的是減少催化劑的量。但是，如果減少了催化劑的量，則通常燃料電池的輸出電壓會下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術中的上述問題而完成的，其目的在于在抑制燃料電池的輸出電壓的下降的同時減少電極催化劑層所含有的催化劑的
為了解決上述問題的至少一部分，本發(fā)明的第1裝置是一種用于燃料電池的電極催化劑層，該電極催化劑層的特征在于，包括第1區(qū)域；以及第2區(qū)域，其防水性高于所述第1區(qū)域；其中，所述第1區(qū)域的每單位 面積的催化劑的量小于所述第2區(qū)域的每單位面積的所述催化劑的量。
在包括該電極催化劑層的燃料電池中，在第1區(qū)域中主要是水容易擴 散，在第2區(qū)域中主要是反應氣體容易擴散。并且，反應氣體的擴散量比 較大的第2區(qū)域的每單位面積的催化劑的量多于反應氣體的擴散量比較小 的第1區(qū)域的每單位面積的催化劑的量，因此在第2區(qū)域中能夠更加高效 率地將反應氣體用于電化學反應。即，如果使用該電極催化劑層來構成燃 料電池，則能夠在抑制燃料電池的輸出電壓的下降的同時減少電極催化劑 層所含有的催化劑的量。
也可以在所述第2區(qū)域實施用于提高防水性的處理。取而代之，或者 也可以同時在所述第1區(qū)域實施用于提高親水性的處理。
本發(fā)明的第2裝置是一種用于燃料電池的膜電極組件，該膜電極組件 的特征在于，包括電解質膜；第1電極催化劑層，其設置在所述電解質 膜的第1面?zhèn)?；以及?電極催化劑層，其設置在所述電解質膜的第2面 側；其中，所述第1電極催化劑層和所述第2電極催化劑層中的至少一者 是上述任一項所述的電極催化劑層。
該膜電極組件包括作為本發(fā)明的第1裝置的電極催化劑層。因此，如 果使用該膜電極組件來構成燃料電池，則能夠在抑制燃料電池的輸出電壓 的下降的同時減少電極催化劑層所含有的催化劑的量。
本發(fā)明的方法是一種電極催化劑層的制造方法，所述電極催化劑層用 于燃料電池，所述電極催化劑層的制造方法的特征在于，包括以下步驟
(a) 準備含有催化劑的第l分散液和含有所述催化劑的第2分散液；以及
(b) 通過在支撐體上涂覆所述第1分散液來形成所述電極催化劑層所包 括的第1區(qū)域，通過在所述支撐體上涂覆所述第2分散液來形成所述電極 催化劑層所包括的、防水性高于所述第1區(qū)域的第2區(qū)域；其中，按照使 所述第1區(qū)域的每單位面積的催化劑的量小于所述第2區(qū)域的每單位面積 的催化劑的量的方式來進行所述第1分散液的涂覆和所述第2分散液的涂
如果采用該方法，則能夠制造出本發(fā)明的電極催化劑層。因此， 果使用該電極催化劑層來構成燃料電池，則能夠在抑制燃料電池的輸出電壓 的下降的同時減少電極催化劑層所含有的催化劑的量。
在上述方法中，優(yōu)選的是通過使所述第1分散液的每單位面積的涂 覆量小于所述第2分散液的每單位面積的涂覆量而使所述第1區(qū)域的每單 位面積的所述催化劑的量小于所述第2區(qū)域的每單位面積的所述催化劑的
在第1分散液中的催化劑的濃度等于第2分散液中的催化劑的濃度的 情況下，對各區(qū)域的涂覆量與各區(qū)域的催化劑量成比例。因此，如果按照
上述那樣來進行涂敷，則能夠通過改變2種分散液的每單位面積的涂覆量 來改變2個區(qū)域的每單位面積的催化劑的量。另外，認為各分散液的組成
與基本組成相同，并且能夠僅通過是否添加親水性材料、防水性材料和添 加量的調節(jié)來進行調節(jié)。
本發(fā)明可以通過各種方式來實現(xiàn)，例如可以通過電極催化劑層、包括 該電極催化劑層的膜電極組件、包括該膜電極組件的燃料電池、以及它們 的制造方法等方式來實現(xiàn)。


圖1是示意地表示燃料電池100的內(nèi)部構造的說明圖； 圖2是對圖1的發(fā)電單元110進行了放大表示的說明圖3是對圖1的發(fā)電單元110與隔板120之間的關系進行了放大表示 的說明圖4是表示作為第1變形例的發(fā)電單元110A的說明圖； 圖5是表示作為第2變形例的發(fā)電單元110B的說明圖； 圖6是表示發(fā)電單元110 (圖2)的制造步驟的流程圖； 圖7是表示在實驗中使用的5種發(fā)電單元U1 U5的電極催化劑層的 特征的說明圖8的(A) (D)是表示圖7所示的各催化劑油墨的組成的說明
圖9的(A) (C)是表示5種發(fā)電單元U1 U5的電壓一電流特性
6的實驗結果。
具體實施例方式
下面，基于實施例并按照下面的順序來說明本發(fā)明的實施方式。
A. 燃料電池的構成；
B. 發(fā)電單元的構成；
C. 發(fā)電單元的制造方法；
D. 實驗結果。
A.燃料電池的構成
圖1是示意地表示燃料電池100的內(nèi)部構造的說明圖。另外，該燃料 電池100是固體高分子型的燃料電池。如該圖所示，燃料電池100包括被 交替地堆疊的多個發(fā)電單元110和多個隔板120。另外，雖然沒有進行圖 示，但是一般在隔板上設置有冷卻液通道。
發(fā)電單元110包括電解質膜112，第1電極催化劑層(陽極)114a和 第l氣體擴散層116a按照該順序被設置在電解質膜112的一個面一側，第 2電極催化劑層(陰極)114c和第2氣體擴散層116c按照該順序被設置在 電解質膜112的另一個面一側。與第1氣體擴散層116a接觸的第1隔板 120被配置在發(fā)電單元110的一側，與第2氣體擴散層116c接觸的第2隔 板120被配置在發(fā)電單元110的另一側。在各隔板120的兩個面上形成有 多個溝槽，在發(fā)電單元IIO的第l氣體擴散層116a與第1隔板120之間形 成有陽極側氣體通道121，在發(fā)電單元110的第2氣體擴散層116c與第2 隔板120之間形成有陰極側氣體通道122。
含有由燃料氣體供應單元(未圖示)供應的氫氣的燃料氣體在陽極側 氣體通道121中流通，含有由氧化氣體供應單元(未圖示)供應的氧氣的 氧化氣體(空氣)在陰極側氣體通道122中流通。燃料氣體和氧化氣體在 發(fā)電單元110中被用于電化學反應。
本實施例中的以下模塊相當于一個單元(Cell)，該模塊包括發(fā)電單 元110、第1隔板120中的包括陽極側氣體通道121的部分、第2隔板120 中的包括陰極側氣體通道122的部分。g卩，在本實施例中，燃料電池100
7具有多個(例如100個)單元。
另外，例如由含有磺酸基的氟類樹脂等固體高分子材料形成的膜被用
作電解質膜112。電極催化劑層114a、 114c例如含有承載了鉑(Pt)等催 化劑的碳粒子。氣體擴散層116a、 116c由具有透氣性和導電性的材料形 成，例如使用碳紙。另外，隔板120具有導電性，由不具有透氣性的金屬 或碳等形成。另外，有時也使用具有透氣性的多孔材料。
另外，本實施例中的電解質膜112和配置在電解質膜的兩側的2個電 極催化劑層114a、 114c相當于本發(fā)明中的膜電極組件(MEA: Membrane Electrode Assembly)。
B.發(fā)電單元的構成
圖2是對圖1的發(fā)電單元UO進行了放大表示的說明圖。如圖所示， 第1電極催化劑層(陽極)114a包括一種區(qū)域。另一方面，第2電極催化 劑層(陰極)114c包括2種區(qū)域Ll、 L2。具體來講，第2電極催化劑層 114c包括被交替地排列成條帶狀的多個第1區(qū)域L1和多個第2區(qū)域L2。
第1區(qū)域L1是親水性高于第2區(qū)域L2的區(qū)域(相反，第2區(qū)域L2是 防水性高于第1區(qū)域Ll的區(qū)域)。下面，也將第1區(qū)域Ll稱為"親水性 區(qū)域"，將第2區(qū)域L2稱為"防水性區(qū)域"。
在本實施例中，在第2電極催化劑層114c的親水性區(qū)域Ll內(nèi)實施了 用于提高親水性的處理，在防水性區(qū)域L2內(nèi)實施了用于提高防水性的處 理。另外，在第1電極催化劑層114a內(nèi)沒有實施用于提高親水性和防水性 的處理。即，在本實施例中，第2電極催化劑層114c的親水性區(qū)域Ll具 有比第1電極催化劑層114a高的親水性，防水性區(qū)域L2具有比第1電極 催化劑層114a高的防水性。
并且，在防水性區(qū)域L2中含有比親水性區(qū)域Ll更多的催化劑。更具 體地來講，防水性區(qū)域L2的每單位面積的催化劑量大于親水性區(qū)域Ll的 每單位面積的催化劑量。
眾所周知，隨著發(fā)電單元110中的電化學反應的進行，在第2電極催 化劑層(陰極)114c中，被供應的氧化氣體中的氧氣被消耗而生成水。該 水也被稱為"生成水"。生成水與通過陰極側氣體通道122 (圖1)的氧化氣體一起被排出到燃料電池100的外部。但是，在殘留在第2電極催化 劑層114c內(nèi)的水過多的情況下，氧化氣體不會充分地流入到第2電極催化 劑層114c內(nèi)，電化學反應的進行被抑制。
在本實施例中，如上所述，第2電極催化劑層114c包括防水性(或親 水性)的不同的2種區(qū)域L1， L2。因此，在防水性區(qū)域L2內(nèi)生成的水流 入到親水性區(qū)域Ll。并且，流入到親水性區(qū)域Ll中的水和在親水性區(qū)域 Ll中生成的水從親水性區(qū)域Ll被排出到第2氣體擴散層116c，然后與在 陰極側氣體通道122中流通的氧化氣體一起被排出到燃料電池100的外 部。與生成水的含有量大的親水性區(qū)域Ll相比，在陰極側氣體通道122 中流通的氧化氣體更容易流入到生成水的含有量小的防水性區(qū)域L2中。 即，親水性區(qū)域Ll主要作為生成水在其中流通的通道發(fā)揮作用，防水性 區(qū)域L2主要作為氧化氣體在其中流通的通道發(fā)揮作用。換句話說，在第2 電極催化劑層114c中，生成水的排出路徑和氧化氣體的流入路徑是被分離 開的。因此，在本實施例中，能夠高效率地進行生成水的排出和氧化氣體 的供應。
另外，如上所述，防水性區(qū)域L2的每單位面積的催化劑量大于親水性 區(qū)域Ll的每單位面積的催化劑量，因此流入到防水性區(qū)域L2的氧化氣體 被高效率地用于電化學反應。即，能夠提高氧化氣體的擴散量比較大的防 水性區(qū)域L2中的氧化氣體的反應效率并減少氧化氣體的擴散量比較小的 親水性區(qū)域L1的每單位面積的催化劑量。
如上所述，親水性區(qū)域Ll和防水性區(qū)域L2被設置成條帶狀。特別是 在本實施例中，親水性區(qū)域Ll和防水性區(qū)域L2被設置成與隔板120的形 狀相匹配，更具體地來講與陰極側氣體通道122的形狀相匹配。
圖3是對圖1的發(fā)電單元110與隔板120的關系進行了放大表示的說 明圖。如該圖所示，2種區(qū)域L1、 L2被設置成親水性區(qū)域Ll配置在與陰 極側氣體通道122相對應的位置。這樣一來，各親水性區(qū)域Ll內(nèi)的生成 水容易經(jīng)由第2氣體擴散層116c向對應的陰極側氣體通道122移動，因此 能夠高效率地將生成水排出到陰極側氣體通道122。
如圖3所示，在本實施例中，親水性區(qū)域Ll的寬度與陰極側氣體通道122的寬度大致一致，親水性區(qū)域Ll的寬度也可以比陰極側氣體通道 122的寬度小。這樣一來，可以認為在各陰極側氣體通道122中流通的氧 化氣體容易經(jīng)由第2氣體擴散層116c而流入到2個防水性區(qū)域L2，所述 2個防水性區(qū)域L2設置在對應的親水性區(qū)域Ll的兩側。這樣，將親水性 區(qū)域和防水性區(qū)域排列成親水性區(qū)域配置在與陰極側氣體通道相對應的位 置即可。
另外，在本實施例中，2種區(qū)域L1、 L2排列成條帶狀，但是也可以取 而代之排列成格子狀，還可以排列成點狀(即2種區(qū)域Ll、 L2中的一個 被另一個包圍的形狀)。
另外，在本實施例中，第2電極催化劑層114c包括親水性區(qū)域Ll和 防水性區(qū)域L2，除此之外第2氣體擴散層116c也可以包括親水性比較高 的區(qū)域和防水性比較高的區(qū)域。在這種情況下，將第2氣體擴散層所包括 的親水性比較高的區(qū)域設置在與第2電極催化劑層114c的親水性區(qū)域相對 應的位置并將第2氣體擴散層所包括的防水性比較高的區(qū)域設置在與第1 電極催化劑層114c的防水性區(qū)域相對應的位置即可。
B — l.發(fā)電單元的第l變形例
圖4是表示作為第1變形例的發(fā)電單元110A的說明圖，與圖2相對 應。圖4與圖2大致是一樣的，但是第2電極催化劑層114Ac被改變了。
第2電極催化劑層114Ac包括被交替地排列成條帶狀的多個親水性區(qū) 域LA1和多個防水性區(qū)域LA2。并且，防水性區(qū)域LA2的每單位面積的 催化劑的量大于親水性區(qū)域LA1的每單位面積的催化劑的量。
但是，親水性區(qū)域LA1與圖2的親水性區(qū)域Ll不同，沒有實施用于 提高親水性的處理，防水性區(qū)域LA2與圖2的防水性區(qū)域L2相同，實施 了用于提高防水性的處理。即，第2電極催化劑層114Ac的親水性區(qū)域 LA1具有與第1電極催化劑層114a等同的親水性，防水性區(qū)域LA2具有 比第1電極催化劑層114a高的防水性。
在使用圖4的發(fā)電單元110A的情況下，能夠提高防水性區(qū)域LA2中 的氧化氣體的反應效率并減少親水性區(qū)域LA1的每單位面積的催化劑的
10B — 2.發(fā)電單元的第2變形例
圖5是表示作為第2變形例的發(fā)電單元110B的說明圖，與圖2相對 應。圖5與圖2大致一樣，但是第2電極催化劑層114Bc被改變了。
第2電極催化劑層114Bc包括被交替地排列成條帶狀的多個親水性區(qū) 域LB1和多個防水性區(qū)域LB2。并且，防水性區(qū)域LB2的每單位面積的 催化劑的量大于親水性區(qū)域LB1的每單位面積的催化劑的量。
但是，親水性區(qū)域LB1與圖2的親水性區(qū)域L1一樣，實施了用于提 高親水性的處理，防水性區(qū)域LB2與圖2的防水性區(qū)域L2不同，沒有實 施用于提高防水性的處理。即，第2電極催化劑層114Bc的親水性區(qū)域 LB1具有比第1電極催化劑層114a高的親水性，防水性區(qū)域LB2具有與 第1電極催化劑層114a等同的防水性。
在使用圖5的發(fā)電單元110B的情況下，也能夠提高防水性區(qū)域LB2 中的氧化氣體的反應效率并減少親水性區(qū)域LB1的每單位面積的催化劑的
C.發(fā)電單元的制造方法
圖6是表示發(fā)電單元110 (圖2)的制造步驟的流程圖。
在步驟S102中，準備陽極用的1種催化劑油墨。另外，催化劑油墨 的意思是含有催化劑的懸浮液(分散液)。在催化劑油墨中含有承載催化 劑(例如鉑)的催化劑承載碳、電解質(例如Nafion (Dupont公司的商 標))、溶劑(例如水或乙醇等醇)。
在步驟S104中，陽極用的催化劑油墨被涂覆在電解質膜112的一個 面上。在本實施例中，使用噴墨裝置來涂覆催化劑油墨。然后，通過真空 干燥來進行涂覆層中所含有的溶劑的干燥。由此，第1電極催化劑層114a 被形成在電解質膜112的一個面上。
在步驟S106中，準備陰極用的2種催化劑油墨。第1種催化劑油墨 和第2種催化劑油墨的組成互不相同。第1種催化劑油墨是用于形成第2 電極催化劑層114c的親水性區(qū)域Ll的催化劑油墨，第2種催化劑油墨是 用于形成防水性區(qū)域L2的催化劑油墨。
在陰極用的第1種和第2種的催化劑油墨中，與陽極用的催化劑油墨
ii一樣含有催化劑承載碳、電解質、溶劑。在第1種催化劑油墨中還含有用 于提高親水性的添加劑(親水劑)。作為親水劑，例如可以使用二氧化硅
(SiOO 、 二氧化鈦(TiOO 、氧化鋯(ZrOO等金屬氧化物或聚乙烯 醇(Polyvinyl Alcohol)、丙烯酸蘇打(Acrylic Acid Soda)等親水性樹 脂。另一方面，在第2種的催化劑油墨中還含有用于提高防水性的添加劑
(防水劑)。作為防水劑，例如可以使用PTFE (Polytetrafluoroethylene， 聚四氟乙烯)等氟類高分子樹脂。
在步驟S108中，在電解質膜112的另一個面上涂覆第1種催化劑油 墨并涂覆第2種催化劑油墨。使用噴墨裝置將第1催化劑油墨和第2催化 劑油墨涂覆，干燥成條帶狀。然后，根據(jù)需要來進行真空干燥。由此，在 電解質膜112的另一個面上形成了第2電極催化劑層114c，該第2電極催 化劑層114c包括排列成條帶狀的親水性區(qū)域Ll和防水性區(qū)域L2。
在本實施例中，第1種催化劑油墨和第2種催化劑油墨所含有的催化 劑承載碳的催化劑承載率相同。因此，用于形成防水性區(qū)域L2的第2種 催化劑油墨的涂覆量被設定成大于用于形成親水性區(qū)域Ll的第1種催化 劑油墨的涂覆量。結果，防水性區(qū)域L2的每單位面積的催化劑的量大于 親水性區(qū)域L1的每單位面積的催化劑的量。
另外，步驟S106、 S108的處理也可以在步驟S102、 S104的處理之前 進行?；蛘?，步驟S106的處理也可以在步驟S104的處理之前進行。
在步驟S110之中，將2個氣體擴散層116a、 116c接合在2個電極催 化劑層114a、 114c上。另外，在本實施例中使用熱壓法來進行接合。
通過圖6的處理來獲得發(fā)電單元110，使用多個發(fā)電單元110來制造 燃料電池100。
另外，在本實施例中使用噴墨裝置來進行催化劑油墨的涂覆，但是也 可以使用分配(Dispenser)裝置、絲網(wǎng)印刷裝置來代替。
另外，在本實施例中，為了形成親水性區(qū)域Ll，在催化劑油墨中添 加了親水劑，但是也可以實施用于提高親水性的其他處理。例如，通過在 承載催化劑的碳粒子上進行親水基(例如羥基)的修飾，能夠提高親水 性。同樣，在本實施例中，為了形成防水性區(qū)域L2，在催化劑油墨中添
加了防水劑，但是也可以實施用于提高防水性的其他處理。例如，通過在 承載催化劑的碳粒子上進行疏水基(例如垸基)的修飾或者進行氟化，能 夠提高防水性。
另外，也可以與發(fā)電單元110同樣地制造變行例(圖4、圖5)的發(fā) 電單元IIOA、 IIOB。但是，在制造變行例的發(fā)電單元IIOA、 110B的情 況下，在步驟S106中準備的陰極用的2種催化劑油墨被改變。在制造圖4 的發(fā)電單元110A的情況下，例如作為形成親水性區(qū)域LA1的第1種催化 劑油墨，使用未添加親水劑的催化劑油墨即可，作為形成防水性區(qū)域LA2 的第2種催化劑油墨，使用添加了防水劑的催化劑油墨即可。同樣，在制 造圖5的發(fā)電單元110B的情況下，作為形成親水性區(qū)域LB1的第1種催 化劑油墨，使用添加了親水劑的催化劑油墨即可，作為形成防水性區(qū)域 LB2的第2種催化劑油墨，使用未添加防水劑的催化劑油墨即可。
D.實驗結果
制造了 5種發(fā)電單元來進行了實驗。圖7是表示在實驗使用了的5種 發(fā)電單元U1 U5的電極催化劑層的特征的說明圖。另外，第4發(fā)電單元 U2相當于圖4的發(fā)電單元IIOA，第5發(fā)電單元U5相當于圖2的發(fā)電單 元110。
各發(fā)電單元U1 U5的第1電極催化劑層(陽極)114a是相同的，使 用陽極用的標準油墨而形成。另外，標準油墨是指沒有實施用于提高親水 性和防水性的處理的催化劑油墨。
各發(fā)電單元U1 U5的第2電極催化劑層(陽極)114c是彼此不同 的，使用1種或2種油墨而形成。具體來講，第1發(fā)電單元Ul的陰極 114c使用陰極用的標準油墨而形成。第2和第4發(fā)電單元U2、 U4的陰極 114c的親水性區(qū)域使用陰極用的標準油墨而形成，防水性區(qū)域使用防水性 油墨而形成。另外，第3和第5發(fā)電單元U3、 U5的陰極114c的親水性區(qū) 域使用親水性油墨而形成，防水性區(qū)域使用防水性油墨而形成。另外，親 水性油墨是指實施了用于提高親水性的處理的催化劑油墨，防水性油墨是 指實施了用于提高防水性的處理的催化劑油墨。圖8是表示圖7所示的各催化劑油墨的組成的說明圖。另外，在圖8 中，組成用重量比來表示。
圖8的(A) (C)表示了陰極用的各催化劑油墨的組成。具體來 講，圖8的(A)表示標準油墨的組成，圖8的(B)表示防水性油墨的組 成，圖8的(C)表示親水性油墨的組成。對圖8的(A) (C)進行比 較可知，防水性油墨的組成與標準油墨的組成大致相同，但是追加了 PTFE (Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)。另外，親水性油墨的組成 與標準油墨的組成大致相同，但是追加了Ti02 (二氧化鈦)。
圖8的(D)表示陽極用的標準油墨的組成。對圖8的(A) 、 (D) 進行比較可知，陽極用的標準油墨的組成與陰極用的標準油墨的組成大致 相同，但是改變了電解質的質量比。
另外，圖8的(A) (D)的催化劑承載碳承載了鉑(Pt)催化劑， 催化劑的承載率相同。
如下制造了各發(fā)電單元U1 U5。首先，準備圖7所示的1種陽極用 的標準油墨，并準備l種或2種陰極用的催化劑油墨。混合、攪拌圖8所 示的各材料，并使用超聲波均勻器進行20分鐘的分散，由此制造了各催 化劑油墨。另外，進行分散處理是為了使得催化劑承載碳在懸浮液內(nèi)均勻 地分布。
然后，使用噴墨裝置在電解質膜上形成了陽極。如圖7所示，關于各 發(fā)電單元U1 U5，陽極用的標準油墨的涂覆量被設定成每單位面積的催 化劑的量(Pt量)為0.1mg/cm2。
另外，使用噴墨裝置在電解質膜上形成了陰極。如圖7所示，關于第 1發(fā)電單元Ul，陰極用的標準油墨的涂覆量被設定成每單位面積的催化劑 的量(Pt量)為0.3mg/cm2。關于第2 第5發(fā)電單元U2 U5，以lmm 間距涂覆了 2種催化劑油墨，使得條帶狀地形成親水性區(qū)域和防水性區(qū) 域。具體來講，關于第2發(fā)電單元U2，陰極用的標準油墨的涂覆量和防 水性油墨的涂覆量均被設定成每單位面積的催化劑的量為0.3mg/cm2。關 于第3發(fā)電單元U3，親水性油墨的涂覆量和防水性油墨的涂覆量均被設 定成每單位面積的催化劑的量為0.3mg/cm2。關于第4發(fā)電單元U4，陰極用的標準油墨的涂覆量和防水性油墨的涂覆量分別被設定成每單位面積的
催化劑的量為0.14mg/cm2和0.3mg/cm2 。關于第5發(fā)電單元U5，親水性 油墨的涂覆量和防水性油墨的涂覆量分別被設定成每單位面積的催化劑的 量為0.14mg/cm2禾卩0.3mg/cm2 。
最后，使用熱壓法將第l氣體擴散層116a和第2氣體擴散層116c分 別接合至第1電極催化劑層(陽極)114a和第2電極催化劑層(陰極) 114c。在14(TC、 4Mpa的條件下進行了 3分鐘的熱壓。
經(jīng)過上述處理，獲得了 5種發(fā)電單元U1 U5。另外，第1至第3發(fā) 電單元U1 U3的陰極的每單位面積的平均催化劑量(Pt量)為 0.3mg/cm2，第4、第5發(fā)電單元U4、 U5的陰極的每單位面積的平均催化 劑量(Pt量)為0.22mg/cm2 (= (0.14+0.3) /2)。
圖9是表示5種發(fā)電單元U1 U5的電壓一電流特性的實驗結果。另 外，在圖9的(A) (C)中，橫軸表示電流密度(mA/cm2)，縱軸表 示發(fā)電單元的輸出電壓(mV)。
在圖9的(A)中表示了曲線Cl、 C2、 C3，該曲線Cl、 C2、 C3表 示第1、第2、第3發(fā)電單元Ul、 U2、 U3的電壓一電流特性。在圖9的
(B)中表示了曲線C1、 C4、 C5，該曲線C1、 C4、 C5表示第1、第4、 第5發(fā)電單元Ul、 U4、 U5的電壓一電流特性。另外，在圖9的(A)、 (B)中表示的曲線Cl相同。另外，在圖9的(B)中表示的曲線C4、 C5大致重合。在圖9的(C)中放大表示了圖9的(A) 、 (B)中的由點 劃線包圍的區(qū)域。具體來講，表示了電流密度1000mA/cm2下的5種發(fā)電 單元Ul U5的電壓的測定點。
如圖7所示，第2和第3發(fā)電單元U2、 U3的陰極的催化劑的量相 同。但是，如圖9的(A) 、 (C)所示，在比較高的電流密度下，第3發(fā) 電單元U3的輸出電壓高于第2發(fā)電單元U2的輸出電壓。同樣，如圖7所 示，第4和第5發(fā)電單元U4、 U5的陰極的催化劑的量相同。但是，如圖 9的(B) 、 (C)所示，在比較高的電流密度下，第5發(fā)電單元U5的輸 出電壓高于第4發(fā)電單元U4的輸出電壓。這是因為第3、第5發(fā)電單元 U3、 U5的陰極的親水性區(qū)域由添加了親水劑的親水性油墨形成，第2、第
154發(fā)電單元U2、 U4的陰極的親水性區(qū)域由未添加親水劑的標準油墨形成 (參照圖7)。
另外，如圖7所示，第1至第3發(fā)電單元U1 U3的陰極的催化劑的 量相同。但是，如圖9的(A) 、 (C)所示，在比較高的電流密度下，第 2和第3發(fā)電單元U2、 U3的輸出電壓高于第1發(fā)電單元Ul的輸出電壓。 這是因為第1發(fā)電單元Ul的陰極不包括親水性區(qū)域和防水性區(qū)域，第2 和第3發(fā)電單元U2、 U3的陰極包括親水性區(qū)域和防水性區(qū)域(參照圖 7)。
如圖7所示，第4和第5發(fā)電單元U4、 U5的陰極的催化劑量小于第 1發(fā)電單元Ul的催化劑量。具體來講，如上所述，第4、第5發(fā)電單元 U4、 U5的陰極的每單位面積的平均催化劑量為0.22mg/cm2 (= (0.14+0.3) /2)，比第1發(fā)電單元U1 U3的陰極的每單位面積的平均催 化劑量0.3mg/cm2大約小30。/。。但是，如圖9的(B) 、 (C)所示，在比 較高的電流密度下，第4和第5發(fā)電單元U4、 U5的輸出電壓稍高于第1 發(fā)電單元U1的輸出電壓。這是因為第1發(fā)電單元U1的陰極不包括親水 性區(qū)域和防水性區(qū)域，第4和第5發(fā)電單元U4， U5的陰極包括親水性區(qū) 域和防水性區(qū)域(參照圖7)。根據(jù)該結果，可以說通過在第4和第5的 發(fā)電單元U4、 U5中形成親水性區(qū)域和防水性區(qū)域并調整各區(qū)域的催化劑 的量，能夠抑制發(fā)電單元的輸出電壓的下降并在相當大的程度上減少催化 劑的量。
如上所述，在本實施例中，在第2電極催化劑層114c的親水性區(qū)域 Ll內(nèi)水容易擴散，在防水性區(qū)域L2內(nèi)反應氣體容易擴散。并且，反應氣 體的擴散量比較大的防水性區(qū)域L2的每單位面積的催化劑量多于反應氣 體的擴散量比較小的親水性區(qū)域Ll的每單位面積的催化劑量，所以在防 水性區(qū)域L2內(nèi)能夠高效率地將反應氣體用于電化學反應。即，能夠抑制 燃料電池100的輸出電壓的下降并減少第2電極催化劑層114c所含有的催 化劑的量。特別是在使用貴金屬催化劑(例如鉑(Pt))來作為催化劑的 情況下，具有能夠使燃料電池IOO的成本大幅降低的優(yōu)點。
另外，本發(fā)明不限于上述實施例和實施方式，能夠在不脫離其要旨的范圍內(nèi)通過各種方式來實施，例如可以進行以下變形。
(1) 在上述實施例中，第1種催化劑油墨所含有的催化劑承載碳的 催化劑承載率(第1承載率)與第2種催化劑油墨所含有的催化劑承載碳
的催化劑承載率(第2承載率)相同。因此，在上述實施例中，通過改變 第1種催化劑油墨的涂覆量和第2種催化劑油墨的涂覆量來改變親水性區(qū) 域和防水性區(qū)域的每單位面積的催化劑量。
但是，第1承載率和第2承載率也可以不同。在該情況下，即便使第 1種催化劑油墨的涂覆量等于第2種催化劑油墨的涂覆量，也能夠改變親 水性區(qū)域和防水性區(qū)域的每單位面積的催化劑量。具體來講，如果將第1 承載率設定成小于第2承載率，即便使2種催化劑油墨的涂覆量大致相 等，也能夠使親水性區(qū)域的每單位面積的催化劑量小于防水性區(qū)域的每單 位面積的催化劑量。
在一般情況下，將親水性區(qū)域的每單位面積的催化劑的量設定成小于 防水性區(qū)域的每單位面積的催化劑的量即可。
(2) 在上述實施例中，通過在電解質膜112上涂覆催化劑油墨而在 電解質膜112上形成了電極催化劑層114a、 114c，但是也可以取而代之通 過在其他的支撐體上涂覆催化劑油墨、然后使支撐體上的涂覆層(電極催 化劑層)接合至電解質膜112而在電解質膜上形成電極催化劑層。作為支 撐體，可以使用由聚四氟乙烯(PTFE， Polytetrafluoroethylene)膜等由氟 類樹脂形成的膜(薄片，Sheet)。另外，在該情況下，在涂覆層(電極催 化劑層)接合后剝離支撐體(薄片，Sheet)即可。
另外，在如上所述使用電解質膜以外的支撐體的情況下，優(yōu)選的是改 變第1承載率和第2承載率。這樣一來，通過將第1種催化劑油墨的涂覆 量和第2種催化劑油墨的涂覆量設定成大致相等，能夠將親水性區(qū)域的厚 度和防水性區(qū)域的厚度設定成大致相等。
權利要求
1.一種電極催化劑層，用于燃料電池，所述電極催化劑層的特征在于，包括第1區(qū)域；以及第2區(qū)域，其防水性高于所述第1區(qū)域；其中，所述第1區(qū)域的每單位面積的催化劑的量小于所述第2區(qū)域的每單位面積的所述催化劑的量。
2. 如權利要求l所述的電極催化劑層，其中， 在所述第2區(qū)域實施了用于提高防水性的處理。
3. 如權利要求1或2所述的電極催化劑層，其中， 在所述第1區(qū)域實施了用于提高親水性的處理。
4. 一種膜電極組件，用于燃料電池，所述膜電極組件的特征在于， 包括電解質膜；第1電極催化劑層，其設置在所述電解質膜的第1面?zhèn)?；以?第2電極催化劑層，其設置在所述電解質膜的第2面?zhèn)龋?其中，所述第1電極催化劑層和所述第2電極催化劑層中的至少一者 是權利要求1至3中的任一項所述的電極催化劑層。
5. —種電極催化劑層的制造方法，所述電極催化劑層用于燃料電 池，所述電極催化劑層的制造方法的特征在于，包括以下步驟(a) 準備含有催化劑的第l分散液和含有所述催化劑的第2分散液；以及(b) 通過在支撐體上涂覆所述第1分散液來形成所述電極催化劑層 所包括的第1區(qū)域，通過在所述支撐體上涂覆所述第2分散液來形成所述電極催化劑層所包括的、防水性高于所述第1區(qū)域的第2區(qū)域；其中，按照使所述第1區(qū)域的每單位面積的催化劑的量小于所述第2 區(qū)域的每單位面積的催化劑的量的方式來進行所述第1分散液的涂覆和所
6.如權利要求5所述的電極催化劑層的制造方法，其中， 通過使所述第1分散液的每單位面積的涂覆量小于所述第2分散液的每單位面積的涂覆量而使所述第1區(qū)域的每單位面積的所述催化劑的量小于所述第2區(qū)域的每單位面積的所述催化劑的量。
全文摘要
用于燃料電池的電極催化劑層包括第1區(qū)域和第2區(qū)域，第2區(qū)域的防水性高于第1區(qū)域。第1區(qū)域的每單位面積的催化劑的量小于第2區(qū)域的每單位面積的催化劑的量。由此，能夠抑制燃料電池的輸出電壓的下降并減少電極催化劑層所含有的催化劑的量。
文檔編號H01M4/88GK101682033SQ200880010268
公開日2010年3月24日 申請日期2008年3月25日 優(yōu)先權日2007年3月27日
發(fā)明者山田展弘, 川原龍也, 畑中達也, 角谷聰 申請人:豐田自動車株式會社