电极用催化剂、气体扩散电极形成用组合物、气体扩散电极、膜/电极接合体以及燃料电池组的制作方法_4

文档序号:9830026阅读:来源:国知局
>[0186] 接下来,以满足依据X射线荧光(XRF)分析法所测定的溴(Br)形态的浓度为500ppm 以下、且氯(Cl)形态的浓度为8500ppm以下的条件的方式调整电极用催化剂前体的溴(Br) 形态的浓度和氯(Cl)形态的浓度。具体说来,采用以下的氯降低法1~3。
[0187] [氯降低法1]
[0188] 包括以下工艺的方法,
[0189] 第1工艺:将电极用催化剂前体(I)添加在超纯水中,从而制备将所述电极用催化 剂前体(1)分散在超纯水中而成的第1液体,其中,所述电极用催化剂前体(1)为使用含有氯 (Cl)形态的材料制造的,且依据X射线荧光(XRF)分析法所测定的氯(Cl)形态浓度超过已预 先设定的氯(Cl)形态浓度(例如、该预先设定的氯(Cl)形态浓度为8500ppm、或为7600ppm, 依据X射线荧光(XRF)分析法所测定的氯(Cl)形态浓度超过这些浓度值的电极用催化剂前 体);和
[0190]第2工艺:将电极用催化剂前体(I I)分散在超纯水中,进而制备成第2液体,其中, 所述电极用催化剂前体(II)为通过下述方法而得到的:使用超纯水过滤清洗在所述第1液 体中所含有的所述电极用催化剂前体(1),并将清洗后所得滤液反复清洗直至其通过JIS规 格试验法(JIS K0552)所测定的电导率P为预先设定的设定值以下(例如,为预先设定的10 ~100yS/cm范围的设定值以下)。
[0191] [氯降低法2]
[0192] 包括以下工艺的方法,
[0193] 第1工艺:将含有超纯水、还原剂以及使用含有氯(Cl)形态的材料而制造的电极用 催化剂前体的液体,在预先设定为20°C~90°C范围的至少1个阶段的设定温度下,且在预先 设定的保持时间下进行保持,其中,所述电极用催化剂前体通过X射线荧光(XRF)分析法所 测定的氯(Cl)形态浓度超过预先设定的氯(Cl)形态浓度(例如、该预先设定的氯形态浓度 为8500ppm、或为6000ppm,通过X射线荧光(XRF)分析法所测定的氯(Cl)形态浓度超过这些 浓度值的电极用催化剂前体);
[0194] 第2工艺:将超纯水添加在所述第1工艺后所得到的液体中,且将在所述第1工艺后 所得到的液体中所含有的电极用催化剂前体(1)分散在超纯水中,进而制备出第1液体;
[0195] 第3工艺:使用超纯水,过滤并清洗在所述第1液体中所含有的电极用催化剂前体;
[0196] 且将清洗后所得滤液反复清洗直至其通过JIS规格试验法(JIS K0552)所测定的 电导率P为预先设定的第1设定值以下,
[0197] 并将所述电导率P为已预先设定的第1设定值以下的液体中所含有的电极用催化 剂前体分散在超纯水中,进而制备成第2液体;
[0198] 第4工艺:干燥所述第2液体。
[0199] [氯降低法3]
[0200] 包括以下工艺的方法,
[0201] 第1工艺:将含有超纯水、含有氢的气体以及使用含有氯(Cl)形态的材料而制造的 电极用催化剂前体的液体在预先设定为20°C~40°C范围的至少1个阶段的设定温度下,且 在预先设定的保持时间下进行保持,其中,所述电极用催化剂前体通过X射线荧光(XRF)分 析法所测定的氯(Cl)形态浓度超过预先设定的第1氯(Cl)形态浓度。
[0202] 另外,在氯降低法1~3中所使用的"超纯水"是以下通式(1)所表示的电阻率R(JIS 规格试验法(JIS K0552)所测定的电导率的倒数)为3.0ΜΩ · cm以上的水。另外,"超纯水" 优选具有相当于IS K0557"用于用水?排水试验的水"所规定的"A3"的水质,或其以上的洁 净水质。
[0203][数学公式1]
[0204] R=l/p (1)
[0205] 在上述通式(1)中,R表示电阻率,P表示通过JIS规格试验法(JIS K0552)所测定的 电导率。
[0206] 上述超纯水只要为具有满足以上述通式(1)所表示的关系的电导率的水即可,无 特别的限制。例如,作为上述超纯水可列举,使用超纯水制造装置"Milli-Q系列"(Merck株 式会社制造 )、"Elix UV系列"(日本Millipore株式会社制造)所制造的超纯水。
[0207] 通过实施氯降低法1~3的任一方法,可降低在电极用催化剂前体中所含有的氯 (Cl)形态。而且,将通过X射线荧光(XRF)分析法所测定的溴(Br)形态的浓度为500ppm以下、 且氯(Cl)形态的浓度为8500ppm以下的电极用催化剂前体作为本发明的电极用催化剂。 [0208]由于电极用催化剂通过X射线荧光(XRF)分析法所测定的溴(Br)形态的浓度为 500ppm以下、且氯(Cl)形态的浓度为8500ppm以下,因此,能够发挥电极用催化剂所要求的 催化活性。
[0209] (X射线荧光(XRF)分析法)
[0210] X射线荧光(XRF)分析法以例如以下的方式实行。
[0211] (1)测定装置
[0212] ?波长色散型全自动X射线焚光分析装置Axios(阿克西奥斯)(SpectrisCo.,Ltd. 制造)
[0213] ⑵测定条件
[0214] ?解析软件:"UniQuant5"(使用FP(four peak method)法的半定量软件)
[0215] · XRF测定室环境条件:氦气(常压)
[0216] ⑶测量程序
[0217] (i)将已加入试样的试样容器放入XRF试样室。
[0218] (ii)将XRF试样室内置换为氦气。
[0219] (iii)在氦气气氛(常压)下,设定为下述模式进行计算:将测定条件设定为用于使 用解析软件"UniQuant5"的条件的"UQ5应用",试样的主要成分设定为"碳(载体的构成元 素)"的方式进行计算的模式,试样的分析结果的显示方式设定为"元素"。
[0220] <燃料电池组的构造>
[0221] 图5为表示含有本发明的电极用催化剂的气体扩散电极形成用组合物、使用该气 体扩散电极形成用组合物所制造的气体扩散电极、具有该气体扩散电极的膜/电极接合体 (MEA)以及具有该膜/电极接合体(MEA)的燃料电池组的一适宜方式的模式图。
[0222]于图5所示的燃料电池组S具有下述结构:将膜/电极接合体(MEA)400作为一单元 电池,且将多个该一单元电池重叠。
[0223] 进一步,燃料电池组S具有具备阳极200a、阴极200b以及被配置在这些电极之间的 电解质膜300的膜/电极接合体(MEA) 400。
[0224]另外,燃料电池组S还具有通过隔板IOOa和隔板IOOb夹持该膜/电极接合体(MEA) 400的结构。
[0225] 以下,对为含有本发明的电极用催化剂的燃料电池组S的部件的气体扩散电极形 成用组合物、气体扩散电极200a以及气体扩散电极200b和膜/电极接合体(MEA)400进行说 明。
[0226] <气体扩散电极形成用组合物>
[0227] 将上述电极用催化剂1作为所谓的催化剂油墨成分使用,进而能够作为本发明的 气体扩散电极形成用组合物。本发明的气体扩散电极形成用组合物将含有上述电极用催化 剂作为特征。气体扩散电极形成用组合物将上述电极用催化剂和离聚物溶液作为主要成 分。离聚物溶液含有,水、醇以及具有氢离子传导性的高分子电解质。
[0228] 离聚物溶液中水和醇的混合比率,只要为在将气体扩散电极形成用组合物涂布于 电极时赋予适宜的粘度的比率即可。通常优选相对于水100重量份含有醇0.1~50.0重量 份。另外,于离聚物溶液中所含有的醇,优选一元醇或多元醇。作为一元醇,可列举例如甲 醇、乙醇、丙醇以及丁醇等。作为多元醇,可列举二元醇或三元醇。作为二元醇,可例示例如 乙二醇、二乙二醇、四乙二醇、丙二醇、1,3_丁二醇、1,4_丁二醇。作为三元醇,也可例示甘 油。另外,于离聚物溶液中所含有的醇,也可为1种或2种以上的醇的组合。另外,在离聚物溶 液中也可根据需要适当的含有表面活性剂等的添加剂。
[0229] 为了使电极用催化剂分散、提高与作为构成气体扩散电极的构件气体扩散层的粘 合性,离聚物溶液含有具有氢离子传导性的高分子电解质作为粘合剂成分。高分子电解质 无特别的限制,可例示公知的具有磺酸基、羧酸基的全氟化碳树脂。作为能够容易入手的、 具有氢离子传导性的高分子电解质,可例示Nafion全氟离子交换膜(注册商标、Du Pont公 司制造 )、Aciplex F-离子交换膜(注册商标、旭化成株式会社制造)以及Flemion氟离子交 换膜(注册商标、旭硝子株式会社制造)。
[0230] 气体扩散电极形成用组合物可通过将电极用催化剂和离聚物溶液进行混合、粉碎 以及搅拌而制成。气体扩散电极形成用组合物的制作,可使用球磨机和超声波分散机等粉 碎混合机进行制备。其在操作粉碎混合机时的粉碎条件和搅拌条件,可根据气体扩散电极 形成用组合物状态进行适宜的设定。
[0231] 于气体扩散电极形成用组合物中所含有的电极用催化剂、水、醇以及具有氢离子 传导性的高分子电解质的各组成需要设定成下述方式:电极用催化剂的分散状态良好,且 能够将电极用催化剂广泛地遍布于气体扩散电极的整个催化剂层,并且能够提高燃料电池 所具备的发电性能。
[0232] 具体说来,相对于电极用催化剂1.0重量份,优选高分子电解质为0.1~2.0重量 份、醇为0.01~2.0重量份、水为2.0~20.0重量份。更优选相对于电极用催化剂1.0重量份, 高分子电解质为0.3~1.0重量份、醇为0.1~2.0重量份、水为5.0~6.0重量份。若各个成分 组成在上述范围内,则由气体扩散电极形成用组合物组成的涂布膜在气体扩散电极上成膜 时不会过于扩展,因此被优选。另外,由于由气体扩散电极形成用组合物组成的涂布膜能够 形成适度且均匀厚度的涂膜,因此被优选。
[0233] 另外,高分子电解质的重量为干燥状态的重量、且为不含有高分子电解质溶液中 的溶剂的状态下的重量。水的重量为包括高分子电解质溶液中所含有的水的重量。
[0234] <气体扩散电极>
[0235]本发明的气体扩散电极(200a、200b)具有被层叠在气体扩散层220和气体扩散层 220的至少一个面上的电极用催化剂层240。在具有气体扩散电极(200a、200b)的电极用催 化剂层240中,含有上述电极用催化剂。另外,本发明的气体扩散电极200既可作为阳极使 用,也可作为阴极使用。
[0236]另外,在图5中,为了方便,将上侧的气体扩散电极200作为阳极200a,将下侧的气 体扩散电极200作为阴极200b。
[0237](电极用催化剂层)
[0238]电极用催化剂层240为在阳极200a中,通过于电极用催化剂层240中所含有的电极 用催化剂1的作用,进行将由气体扩散层220所传送的氢气分解为氢离子的化学反应的层。 另外,电极用催化剂层240为,在阴极200b中,通过于电极用催化剂层240中所含有的电极用 催化剂1的作用,进行将由气体扩散层220所传送的空气(氧气)和由阳极移至电解质膜中的 氢离子键合的化学反应的层。
[0239] 电极用催化剂层240使用上述气体扩散电极形成用组合物而形成。电极用催化剂 层
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