专利名称：催化剂粉末、催化剂电极和电化学装置的制作方法
背景技术：
本发明涉及催化剂粉末、催化剂电极和电化学装置。
固体聚合物电解质型燃料电池与其它类型燃料电池相比具有更高的能量密度，并被认为容易减小尺寸；因此，人们对将固体聚合物电解质型燃料电池用于便携式用途寄予了非常高的期望。从而，固体聚合物电解质型燃料电池构成一个领域，在该领域中世界上近来已经取得很多进展并且有很多的注意力正投向该领域。
固体聚合物电解质型燃料电池的电池结构，为阴极集电器/阴极(氧电极)侧催化剂层/固体聚合物电解质/阳极(燃料电极)侧催化剂层/阳极集电器的多层结构，并且已经对其组件材料、制造方法、形成电池结构的方法等等(参见，例如日本专利公开号平5-36418(第2页右下栏第42行至第3页第3栏第9行))进行了大量的研究。
另外，固体聚合物电解质型燃料电池在其阴极侧提供有氧气，在其阳极侧提供有诸如氢气和酒精的燃料，从而产生电力。
阴极或阳极侧的催化剂层由固体聚合物电解质和含有诸如负载在碳粉上的铂的催化剂颗粒的催化剂粉末组成，并且认为催化剂颗粒的最佳比例是在20～55wt％范围内(参见，例如日本专利公开号平8-117598(第3页第3栏第12至22行))。从用量、颗粒直径以及催化剂颗粒的比表面积来考虑诸如铂颗粒的催化剂颗粒的有效利用效率，认为最佳比例是在上述范围内。
但是，为了增大催化剂层中催化剂颗粒的面积密度，以实现增大输出电流的目的，只有增大催化剂层的厚度这一种方法。当采用上述20～55wt％催化剂颗粒负载比的催化剂粉末时，由于催化剂颗粒的比表面积增加，催化剂层厚度的增加导致需要的粘合剂量增加，并导致电极的电子阻力增加。另外，形成更厚的催化剂层还包括诸如层体裂开的问题，这导致催化剂层的稳定性降低。
另一方面，当采用高催化剂颗粒负载比的催化剂粉末时，催化剂颗粒的比表面积小，以致不能得到足够的反应面积，而且不能获得良好的输出特性。
发明概述本发明的目的是提供一种催化剂粉末，和一种能提高输出特性的催化剂电极，以及一种采用它们的电化学装置。
根据本发明的一个方面，提供一种包含在电极中的催化剂粉末，其中，催化剂粉末包括负载在导电粉末上的催化物质，催化物质由至少一种催化剂组成，催化剂物质与催化剂粉末的重量比(催化物质负载比)是在55～75wt％范围内，并且催化物质的面积密度是在1～3mg/cm2范围内。
根据本发明的另一方面，提供一种包括催化剂粉末和固体聚合物电解质的催化剂电极，催化剂粉末包括负载在导电粉末上的催化物质，催化物质由至少一种催化剂组成，其中催化物质与催化剂粉末的重量比是在55～75wt％范围内，并且催化剂粉末中催化物质的面积密度是在1～3mg/cm2范围内。
根据本发明更进一步的方面，提供一种包括多个电极以及一个夹在电极之间的离子导电体的电化学装置，其中，根据本发明的上述催化剂电极构成多个电极中的至少一个。
这里，上述术语“面积密度”是指每单位电极面积上的催化物质重量。
根据本发明，催化物质的重量比规定在55～75wt％范围内，并且催化物质的面积密度限定在1～3mg/cm2范围内，以使能有效而且容易地增大电极中的催化剂的有效反应面积，并提高输出特性。
另外，通过同时满足催化物质的重量比条件和催化物质的面积密度条件，就可能增大催化剂面积密度而不会、例如象现有技术那样增大催化剂层厚度。这是因为根据本发明的催化剂粉末的比表面积较相关技术小，这也使得有可能降低也起粘合剂作用的固体聚合物电解质用量。因此，就有可能降低电极内阻并限制因内阻引起的电压降，以使其能增加电化学装置的输出。
此外，由于催化物质的重量比限定在根据本发明的上述范围以内，催化剂粉末的比表面积小于根据现有技术的催化剂粉末的比表面积。因此，例如在将根据本发明的催化剂粉末分散在溶剂中，从而象现有技术那样制备用于形成催化剂层的涂敷材料时，就可以降低溶剂用量并减轻环境负担。
附图概述本发明的上述及其它目的、特征和优点，将通过随后的说明书及所附权利要求书、并结合所附的图而变得明显，其中
图1是根据本发明一个实施方式的基于本发明的催化剂粉末的截面简图；图2是表示催化物质负载比与催化剂粉末或催化剂的比表面积之间关系的曲线图；图3是基于本发明的电化学装置的截面简图；图4是表示根据本发明一个实施方式，催化剂负载比和最大输出之间关系的曲线图；图5是说明催化剂面积密度和最大输出之间关系的曲线图；图6是说明X/Y和最大输出之间关系的曲线图，其中X％是固体聚合物电解质与固体聚合物电解质和催化剂粉末的混合物的重量比，Ym2/g是催化剂粉末的比表面积；图7是说明在催化剂负载比小于55wt％情况下催化剂面积密度和最大输出之间关系的曲线图；图8是说明在催化剂负载比大于75wt％情况下催化剂面积密度和最大输出之间关系的曲线图；图9是说明在催化剂面积密度小于1mg/cm2情况下催化剂负载比和最大输出之间关系的曲线图；图10是说明在催化剂面积密度大于3mg/cm2情况下催化剂负载比和最大输出之间关系的曲线图。
优选实施方式说明图1是基于本发明的催化剂粉末的截面简图。
如图1所示，基于本发明的催化剂粉末1包括负载在导电粉末2的表面上作为催化物质的催化剂3，其中催化剂3与催化剂粉末1的重量比是在55～75wt％内，优选57～75wt％，更优选60～70wt％，并且催化剂3的面积密度是在1～3mg/cm2范围内。
这里，催化物质可以仅由催化剂3组成，或者可以由催化剂3和诸如硅和氧化硅的其它物质所组成(这适用于此处及下文)。
基于本发明的催化剂粉末1能良好地用于电化学装置中的催化剂电极。
也就是说，基于本发明的催化剂电极包括基于本发明的上述催化剂粉末和固体聚合物电解质，其中催化物质与催化剂粉末的重量比是在55～75wt％范围内(优选57～75wt％，更优选60～70wt％)，而且催化剂粉末中催化物质的面积密度是在1～3mg/cm2范围内。
更具体地说，优选形成包括基于本发明的催化剂粉末和固体聚合物电解质的催化剂层，并且催化剂层位于诸如碳片的集电器上。催化剂层的厚度可以是，例如5～50μm。
这里，为了增大催化剂颗粒的面积密度以实现增大输出电流的目的，需要增大催化剂层的厚度。但是，如图2所示，当催化物质的重量比小于55wt％时，由于催化物质的量少，催化剂粉末的比表面积随着催化物质负载比的减小而增大。因此需要的固体聚合物电解质(粘合剂)的量增大，从而当催化剂层的厚度增加时电极中的电子阻力增大，而输出特性降低。另外，当催化剂层以厚的型式形成时将产生诸如层体裂开的问题，导致催化剂层的稳定性降低。
另一方面，当催化物质的重量比超过75wt％时，如图2所示，催化剂的比表面积变得更小，从而不能得到足够的反应面积，而且输出特性降低。尽管使用大量催化剂可以使其可能增大反应面积，但催化剂用量的显著增加在成本基础上不利。
此外，当催化物质的面积密度小于1mg/cm2时不能得到有效的反应面积，而且不能获得良好的输出特性。另一方面，当催化物质的面积密度超过3mg/cm2时，过高的面积密度导致催化剂层厚度增加，从而增大电极中的电子阻力并降低输出特性。另外，催化剂层以厚的型式形成会导致诸如层体易裂的问题，从而降低催化剂层的稳定性。
因此，通过将催化物质的重量比和催化物质的面积密度同时限定在上述各自的范围内，就可以有效而且容易地增大电极中催化剂的有效反应面积，并提高输出特性。
此外，在催化物质的重量比和催化物质的面积密度这两个条件均已满足时，就可能增大催化剂的面积密度而不会、例如增大催化剂层的厚度。因此，基于本发明的催化剂粉末的比表面积比现有技术中的值小，而且可以减少也作为粘合剂的固体聚合物电解质的量。因此，可能减少电极的内阻并限制由内阻引起的电压降，从而可能增加电化学装置的输出。
此外，由于催化物质的重量比限定在上述范围内，催化剂粉末的比表面积小于现有技术中的值。因此，当将基于本发明的催化剂粉末，例如分散在溶剂中以制备用于形成催化剂层的涂敷材料时，就可能减少溶剂用量并减轻环境负担。
优选地，基于本发明的催化剂电极具有催化物质的重量比和催化物质的面积密度，它们已限定在上述各自范围内而且满足关系式0.05wt％·g/m2≤(X/Y)≤0.3wt％·g/m2其中，X％是固体聚合物电解质与固体聚合物电解质和催化剂粉末的混合物之间的重量比，而Ym2/g是催化剂粉末的比表面积。
本发明中，催化物质、导电粉末等的比表面积是通过采用N2气、CO气等的气体吸收方法来进行测定。
这里，当X/Y小于0.05wt％·g/m2时，固体聚合物电解质和催化剂之间的接触点少，也就是说反应面积小，并因此不能得到理想的输出电流。另一方面，当X/Y超过0.3wt％·g/m2时，固体聚合物电解质是如此致密以至使反应效率易于降低而且输出特性易于降低。
通过将X/Y值限定在上述范围内，就可能有效而且容易地增大电极中的有效反应面积并且进一步提高输出特性。
另外，在基于本发明的催化剂电极形成过程中，当基于本发明的催化剂粉末与上述固体聚合物电解质粘合以形成催化剂层时，催化剂粉末能够以足够的强度保持在上述集电器上。
本发明中，优选使用碳粉作为导电粉末，并且碳粉的比表面积优选在250～1300m2/g范围内。这里，当碳粉的比表面积低于250m2/g或者高于1300m2/g时，催化剂粉末的特性容易降低，并且不可能获得提高的输出特性。
另外，催化剂优选是至少一种具有电子传导性的贵金属，例如，至少一种选自铂、铱、钯、铑、金和钌、或者它们的混合物中的贵金属。
此外，例如Nafion(商标名)(一种由杜邦制造的全氟磺酸树脂)或其类似物可用作固体聚合物电解质。
用于制造基于本发明的催化剂电极的方法并没有特别受限制。例如，可以通过将基于本发明的催化剂粉末和固体聚合物电解质与其它任意的材料混合以制备用于形成催化剂层的涂敷材料，将上述涂敷材料涂到集电器上，并干燥所施加的涂敷材料，从而制成催化剂电极。
基于本发明的催化剂电极，可被用于基于本发明的电化学装置，该电化学装置例如可构建形成一种燃料电池。
也就是说，基于本发明的电化学装置包括多个电极以及夹在电极之间的一个离子导电体，其中基于本发明的催化剂电极至少构成多个电极中的一个。
例如，在包括一个第一电极、一个第二电极和一个夹在电极中间的离子导电体的基本结构中，基于本发明的催化剂电极能用于第一和第二电极中的至少第一电极上。
为更具体起见，基于本发明的催化剂电极优选用于，例如其中第一电极和第二电极中的至少一个为气体电极的电化学装置上。
图3表示一个燃料电池的具体实施例，其中采用了基于本发明的催化剂电极。
这里，图3中的每个催化剂层15包括基于本发明的催化剂粉末，该催化剂层包括负载在导电粉末(例如碳粉)表面上作为催化物质的催化剂，以及固体聚合物电解质，其中催化剂的重量比在55～75wt％范围内，而且催化剂的面积密度在1～3mg/cm2范围内。基于本发明的催化剂电极是一个多孔气体扩散性催化剂电极，该电极由催化剂层15和多孔气体扩散性集电器，例如碳片16所组成。这里应该指出的是，催化剂层15单独可被认为是气体扩散性催化剂电极。另外，离子导电体8是夹在通过使用基于本发明的催化剂电极所构成的第一电极和第二电极之间。
燃料电池包括一个负极(燃料电极或者氢电极)6，该负极是通过采用基于本发明的催化剂电极(也可以无需用于负极)而构成并且与终端4连接；一个正极(氧电极)7，该正极通过采用基于本发明的催化剂电极而构成并与终端5连接，正极与负极相对放置，离子导电体8夹在负电极6和正电极7之间。
使用燃料电池时，使氢气流过负极6一侧的H2通道11。燃料(H2)在通过通道11时扩散进入负极6，以在负极6的催化剂上产生质子(H+)，并且这样产生的质子通过离子导电体8进入正极7的一侧，在正极7与流过O2通道13并扩散进入正极7的氧气(空气)反应，从而产生所需的电动势。
在上述燃料电池中，基于本发明的催化剂电极构成第一电极和第二电极，作为催化物质的催化剂的重量比是在55～75wt％范围内，而催化剂的面积密度限定在1～3mg/cm2范围内；因此就可能有效并且容易地增加电极中的催化剂的有效反应面积并且提高输出特性。
另外，由于催化剂重量比和催化剂面积密度这两个条件同时得到满足，就可能增大催化剂的面积密度而不会、例如增大催化剂层15的厚度。这是因为基于本发明的催化剂粉末的比表面积较现有技术中的值小，而这使得有可能减小也起粘合剂作用的固体聚合物电解质的用量。因此，就可以降低电极内阻并限制由内阻引起的电压降，从而就可能增大电化学装置的输出。
而且，由于催化剂重量比限定在上述范围内，催化剂粉末的比表面积小于现有技术中的值。因此，例如将基于本发明的催化剂粉末分散在溶剂中以制备用于形成催化剂层15的涂敷材料时，就可能减少溶剂用量并减轻环境负担。
此外，虽然上面描述了在负极6一侧供应氢气作为燃料的实施例，但在采用有水存在时有效的全氟磺酸树脂或类似物质作为固体电解质和/或离子导电体时，优选采用诸如甲醇和乙醇的液体燃料来代替氢气。
实施例现在，下面将基于实施例更详细地说明本发明。
实施例1在10重量份的、含有以65wt％重量比负载于Ketjenblack EC(Ketjenblack国际公司的一种产品；比表面积800m2/g；同样适用于下文)表面上的铂的催化剂粉末(比表面积130m2/g)中，加入10重量份纯水，并在充分润湿后，往混合物中加入30重量份的1-丙醇和60重量份的5％Nafion(注册商标；杜邦的一种产品)溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的氧电极(阴极)。
另外，在10重量份的、含有以60wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂钌合金的催化剂粉末(比表面积230m2/g)中，加入20重量份纯水，并在充分润湿后，往混合物中加入20重量份的1-丙醇和100重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂钌合金面积密度为2mg/cm2的燃料电极(阳极)。
将一个Nafion(注册商标)薄膜(杜邦的一种产品)夹在如上制备的电极之间，然后将上述模件互相连接从而制得一个MEA(膜和电子装置，或电极-电解质装置)，就得到了一个如图3所示结构的燃料电池的电化学装置。
实施例2采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将10重量份的纯水加到10重量份的、含有以55wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积200m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入20重量份的1-丙醇和90重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的氧电极(阴极)。
实施例3采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将10重量份的纯水加到10重量份的、含有以75wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积100m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入10重量份的1-丙醇和40重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的氧电极(阴极)。
实施例4采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将20重量份的纯水加到10重量份的、含有以65wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积130m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入70重量份的1-丙醇和20重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的氧电极(阴极)。
实施例5采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将20重量份的纯水加到10重量份的、含有以65wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积130m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入100重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的氧电极(阴极)。
实施例6采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将10重量份的纯水加到10重量份的、含有以65wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积130m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入30重量份的1-丙醇和60重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为1mg/cm2的氧电极(阴极)。
实施例7采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将10重量份的纯水加到10重量份的、含有以65wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积130m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入30重量份的1-丙醇和60重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为3mg/cm2的氧电极(阴极)。
实施例8采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将10重量份的纯水加到10重量份的、含有以65wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积130m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入160重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的氧电极(阴极)。
实施例9采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将20重量份的纯水加到10重量份的、含有以65wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积130m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入10重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的氧电极(阴极)。
实施例10采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将20重量份的纯水加到10重量份的、含有以70wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂钌合金的催化剂粉末(比表面积200m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入40重量份的1-丙醇和80重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂钌合金面积密度为2mg/cm2的燃料电极(阳极)。
实施例11采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将20重量份的纯水加到10重量份的、含有以60wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂钌合金的催化剂粉末(比表面积230m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入150重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂钌合金面积密度为2mg/cm2的燃料电极(阳极)。
实施例12采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将20重量份的纯水加到10重量份的、含有以45wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂钌合金的催化剂粉末(比表面积280m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入10重量份的1-丙醇和120重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂钌合金面积密度为2mg/cm2的燃料电极(阳极)。
实施例13采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将20重量份的纯水加到10重量份的、含有以60wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂钌合金的催化剂粉末(比表面积230m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入10重量份的1-丙醇和20重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的燃料电极(阳极)。
对比例1采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将20重量份的纯水加到10重量份的、含有以45wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积290m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入40重量份的1-丙醇和120重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的氧电极(阴极)。
对比例2采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将10重量份的纯水加到10重量份的、含有以80wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积85m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入10重量份的1-丙醇和30重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为2mg/cm2的氧电极(阴极)。
对比例3采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将10重量份的纯水加到10重量份的、含有以65wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积130m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入30重量份的1-丙醇和60重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为0.5mg/cm2的氧电极(阴极)。
对比例4采用与实施例1相同的方法制得一个MEA和一个电化学装置，所不同的是将10重量份的纯水加到10重量份的、含有以65wt％重量比负载于Ketjenblack EC表面上的铂的催化剂粉末(比表面积130m2/g)中，并在充分润湿后，往混合物中加入30重量份的1-丙醇和60重量份的5％Nafion溶液，随后充分混合得到的混合物。将如此得到的涂敷材料涂到防水处理过的气体渗透性集电器上，并进行干燥，从而得到铂面积密度为4mg/cm2的氧电极(阴极)。
使用上述实施例1-13和对比例1-4制得的电化学装置，在温度80℃、1mol/l甲醇水溶液作为燃料、而且甲醇流量为5cc/min的条件下，测量燃料电池的输出特性。在氧气或空气流量为500cc/min下测量I-V特性。另外，测量各电极断面方向上的电阻和催化剂层的厚度。结果示于表1-4和附图4-6中。
表1
表2
表3
表4
由表1至4和附图2、4明显可知，实施例1、2和3因为铂负载比是在55～75wt％范围内(优选57～75wt％，更优选60～70wt％)，从而具有良好的输出特性。另一方面，对比例1因为铂负载比为45wt％，也就是说小于55wt％，所以给出大的催化剂粉末比表面积和非常大的催化剂层厚度。因此，对比例1中电极阻力高而最大输出低。
在对比例2中，尽管最大输出良好达到90mW/cm2，但90mW/cm2的最大输出却是在铂负载比为80wt％的情况下得到的，这与根据本发明的铂负载比为75wt％情况下所得到的120mW/cm2最大输出相比，效率低得多。另外，对比例2还缺乏输出特性的重现性。
此外，由表1和4以及图5可明显看出，实施例1、6和7由于铂面积密度是在1～3g/cm2范围内而具有良好的输出特性。另一方面，对比例3具有降低的最大输出，这认为是由于0.5mg/cm2，也就是说低于1mg/cm2的低铂面积密度而不能获得有效的反应面积之故。对比例4由于铂面积密度为4mg/cm2，也就是说高于3mg/cm2，因此给出非常高的催化剂层厚度，其结果是高的电极阻力和降低的最大输出。
另外，根据本发明，优选设置的各个组分要满足关系式0.05wt％·g/m2≤(X/Y)≤0.3wt％·g/m2其中，X％是固体聚合物电解质与固体聚合物电解质和催化剂粉末的混合物之间的重量比，Ym2/g是催化剂粉末的比表面积。这样设置使得可能实现输出特性的进一步提高。
也就是说，正如从表1-4和图6可明显看出的，尽管实施例8能够给出85mW/cm2的良好最大输出，其对应于高固体聚合物电解质比例的0.34wt％·g/m2的X/Y值却使得固体聚合物电解质非常致密，导致比X/Y值位于上述范围内的实施例1、4和5具有降低的反应效率、增大的电极阻力以及降低的输出特性。另外，尽管实施例9能够给出80mW/cm2的良好最大输出，其对应于低固体聚合物电解质比例的0.04wt％·g/m2的X/Y值导致在固体聚合物电解质和催化剂之间的接触点较少，即，更小的反应面积，这认为是其输出特性较X/Y值位于上述范围内的实施例1、4和5降低的原因。
此外，对根据本发明的电化学装置而言，重要的是电化学装置包括多个电极、以及夹在电极之间的离子导电体，其中基于本发明的催化剂电极组成多个电极中的至少一个。虽然上面已描述了氧电极(阴极)侧的对比，在燃料电极(阳极)侧也可得到相似的结果。
也就是说，正如从表1-4所明显看出的，实施例12的燃料电极中的铂钌合金负载比为45wt％，即低于55wt％，这导致较例如实施例10更大的催化剂粉末比表面积和降低的最大输出。
此外，实施例13的燃料电极中的X/Y值为0.04wt％·g/m2，即低于0.05wt％·g/m2，这认为是例如比实施例11离子导电性降低和最大输出降低的原因。
其次，在氧电极中的催化剂负载比固定为45wt％而催化剂面积密度改变时测量其最大输出。测量中，除氧电极的催化剂负载比和催化剂面积密度之外的其它因素与实施例1中相同。结果示于表5和附图7中。
表5
另外，在氧电极的催化剂负载比固定为80wt％而催化剂面积密度改变时测量其最大输出。测量中，除氧电极的催化剂负载比和催化剂面积密度之外的其它因素与实施例1相同。结果示于表6和附图8中。
表6
如表5和图7可明显看出，当催化剂面积密度在1～3mg/cm2范围内时得到最大输出的峰值，但这种情况下，由于催化剂负载比不在55～75wt％范围内，与图5所示的催化剂负载比为65wt％的情况相比最大输出的值整体上明显较低。
此外，如表6和图8可明显看出，当催化剂面积密度高于1～3mg/cm2范围时得到最大输出的峰值，但是，这种情况下由于催化剂负载比不在55～75wt％范围内，催化剂(此情况下为铂)用量非常高，在成本基础上是不利的。
其次，当氧电极的面积密度固定为0.5mg/cm2而催化剂负载比改变时测量其最大输出。测量中，除氧电极的催化剂负载比和催化剂面积密度之外的其它因素与实施例1中相同。结果示于表7和附图9。
表7
另外，当氧电极的催化剂面积密度固定在4mg/cm2而催化剂负载比改变时测量其最大输出。测量中，除氧电极的催化剂负载比和催化剂面积密度外的其它因素与实施例1中相同。测量结果示于表8和附图10中。
表8
*该电化学装置不能制造正如从表7和图9明显看出的，最大输出值随催化剂负载比的降低而增加，但由于催化剂面积密度不在1～3mg/cm2范围内而且面积密度很小，最大输出的值整体上很低。
另外，正如由表8和图10明显看出的，最大输出值随着催化剂负载比的增加而增加，但由于催化剂面积密度不在1～3mg/cm2范围内，最大输出值低，而且催化剂(此情况下为铂)用量显著增大，这在成本基础上是不利的。附带地，在对比例21中，由于催化剂层非常高的厚度，层中出现了很多裂缝，导致不可能制得电化学装置。
正如由以上描述所明显看出的，在基于本发明的催化剂粉末、催化剂电极和电化学装置中，重要的是同时满足两个条件作为催化物质的铂(或铂钌合金)的重量比是在55～75wt％范围内，优选57～75wt％，更优选60～70wt％，以及催化物质的面积密度是在1～3mg/cm2范围内。这种设定使得可能有效而且容易地增加电极中催化剂的有效反应面积并获得提高的输出特性。
另外，通过同时满足催化物质的重量比条件和催化物质面积密度条件，就有可能增大催化剂的面积密度而不用例如增加催化剂层的厚度。这是由于基于本发明的催化剂粉末的比表面积小于现有技术中的值，这使得有可能减少也起粘合剂作用的固体聚合物电解质用量。因此，就可能降低电极的内阻并因此限制由内阻引起的电压降，从而就可能增大电化学装置的输出。
此外，由于催化物质的重量比限定在上述范围内，基于本发明的催化剂粉末的比表面积小于现有技术中的值。因此，例如，当基于本发明的催化剂粉末分散在溶剂中，以制备用于形成催化剂层的涂敷材料时，就可能减少溶剂用量并减轻环境负担。
基于本发明的技术构思上述实施例可以多种方法进行修饰。
例如，虽然实施例1至5采用铂(或者铂钌合金)，但是也可以用选自铂、铱、钯、铑、金和钌、或其混合物中的一种贵金属作为本发明的催化剂。
另外，上述催化物质可由催化剂单独组成，或者可包括不仅催化剂还包括诸如硅、氧化硅等的其它物质。
虽然已采用特定条件说明了本发明的优选实施方式，但这些描述仅作说明之用，而且应当理解，在不偏离所附权利要求的精神和范围下可以进行改变和变化。
权利要求
1.一种包含在电极中的催化剂粉末，其中，所述催化剂粉末包含负载在导电粉末上的催化物质，所述催化物质由至少一种催化剂组成，所述催化物质与所述催化剂粉末的重量比(催化物质负载比)是在55～75wt％范围内，而且所述催化物质的面积密度是在1～3mg/cm2范围内。
2.根据权利要求1的催化剂粉末，其中所述导电粉末为碳粉，其具有250～1300m2/g的比表面积。
3.根据权利要求1的催化剂粉末，其中所述催化剂是至少一种贵金属。
4.根据权利要求3的催化剂粉末，其中所述贵金属选自铂、铱、钯、铑、金和钌中的金属。
5.根据权利要求1所述的催化剂粉末，其用于电化学装置的催化剂电极。
6.一种含有催化剂粉末和固体聚合物电解质的催化剂电极，所述催化剂粉末包含负载在导电粉末上的催化物质，所述催化物质由至少一种催化剂组成，其中所述催化物质与所述催化剂粉末的重量比是在55～75wt％范围内，而且在所述催化剂粉末中所述催化物质的面积密度是在1～3mg/cm2范围内。
7.根据权利要求6的催化剂电极，要满足关系式0.05wt％·g/m2≤(X/Y)≤0.3wt％·g/m2其中，X％是所述固体聚合物电解质与所述固体聚合物电解质和所述催化剂粉末的混合物的重量比，Ym2/g是所述催化剂粉末的比表面积。
8.根据权利要求6的催化剂电极，其中所述导电粉末为碳粉，其具有250～1300m2/g的比表面积。
9.根据权利要求6的催化剂电极，其中所述催化剂是至少一种贵金属。
10.根据权利要求9的催化剂电极，其中所述贵金属是选自铂、铱、钯、铑、金和钌中的金属。
11.根据权利要求6的催化剂电极，其用作电化学装置中的催化剂电极。
12.一种电化学装置，它包括多个电极和夹在所述电极之间的离子导电体，其中，根据权利要求6-10任一权利要求的催化剂电极构成所述多个电极中的至少一个。
13.根据权利要求12的电化学装置，其被构造成为一个燃料电池。
14.根据权利要求13的电化学装置，其中将诸如甲醇和乙醇的液体燃料用作燃料。
全文摘要
本发明公开了一种含于电极中的催化剂粉，该催化剂粉包括负载在导电粉上的催化物质，它由至少一种催化剂组成，催化物质与催化剂粉末的重量比在55～75wt％范围内，而且催化物质的面积密度是在1～3mg/cm
文档编号H01M4/88GK1536695SQ20041003525
公开日2004年10月13日 申请日期2004年4月8日 优先权日2003年4月8日
发明者本村勇人, 二, 香取健二 申请人:索尼株式会社