專(zhuān)利名稱(chēng)：：制造燃料電池電極的方法和具有燃料電池電極的聚合物電解質(zhì)燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及制造燃料電池電極的方法和具有燃料電池電極的聚合物電解質(zhì)燃料電池。
背景技術(shù)：
：具有聚合物電解質(zhì)膜的聚合物電解質(zhì)燃料電池的尺寸和重量容易降低。因此，越來(lái)越期望將其作為能源實(shí)際應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)車(chē)輛，例如電動(dòng)車(chē)輛，和用于小型熱電聯(lián)合系統(tǒng)。相界面(下文稱(chēng)作反應(yīng)點(diǎn))處進(jìn)行，在三相界面同時(shí)存在反應(yīng)氣體、催化劑和含氟離子交換樹(shù)脂(電解質(zhì))。因此，在聚合物電解質(zhì)燃料電池中，催化劑層通常由下述催化劑制成該催化劑涂有與聚合物電解質(zhì)膜的含氟離子交換樹(shù)脂類(lèi)型相同或不同的含氟離子交換樹(shù)脂，例如負(fù)載金屬的碳，例如由具有大比表面積的炭黑載體構(gòu)成的，該炭黑載體負(fù)載金屬催化劑，侈寸:ft口4白。如上所述，在同時(shí)存在分別包含催化劑、碳粒子和電解質(zhì)的三相的陽(yáng)極處生成質(zhì)子和電子。也就是說(shuō)，傳導(dǎo)質(zhì)子的電解質(zhì)和傳導(dǎo)電子的碳粒子共存，且氫氣由于存在催化劑而減少。因此，當(dāng)碳粒子負(fù)載較大量的催化劑時(shí)，可以獲得較高的發(fā)電效率。這同樣適用于陰極。但是，燃料電池中所用的催化劑是貴金屬，例如鉑。因此，當(dāng)負(fù)載在碳粒子上的催化劑的量增加時(shí)，燃料電池生產(chǎn)成本也提高，這是成問(wèn)題的。根據(jù)制造催化劑層的傳統(tǒng)方法，將電解質(zhì)，例如Nafion(商品名)，和鉑/碳等的催化劑粉末^:在溶劑中，并澆注由此獲得的油墨，然后脫水。所得催化劑粉末通常具有數(shù)納米至數(shù)十納米大小的孔。因此，電解質(zhì)一一其是具有大分子尺寸的聚合物一一不能^這類(lèi)納米級(jí)孔。在這種情況下，估計(jì)電解質(zhì)^蓋催化劑表面。相應(yīng)地，鉑在位于孔內(nèi)時(shí)不能有效地利用，從而造成催化劑性能下降。日本專(zhuān)利公開(kāi)(Kokai)2002-373662A公開(kāi)了制造燃料電池電極的方法，其旨在改進(jìn)發(fā)電效率而不提高負(fù)載在碳粒子上的催化劑量。根據(jù)該方法，通過(guò)將表面上負(fù)載有催化劑粒子的粒子與離子傳導(dǎo)性聚合物混合而荻得電極糊，用含有催化金屬離子的溶液處理該電極糊，該催化金屬離子用于在離子傳導(dǎo)性聚合物上的離子交換，且催化金屬離子減少。此外，日本專(zhuān)利公開(kāi)(Kokai)6-271687A(1994)公開(kāi)了制造離子交換膜的方法，其旨在制造具有足夠熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性且沒(méi)有缺陷的離子交換膜。根據(jù)該方法，將包含氟聚合物的基底浸在可聚合單體中以使單體負(fù)載在聚合物上，可聚合單體在第一步驟中通過(guò)用離子化輻射進(jìn)行照射來(lái)部分進(jìn)行反應(yīng)，未反應(yīng)的單體在第二步驟中通過(guò)在聚合引發(fā)劑存在下加熱來(lái)聚合，并根據(jù)需要在其中引入離子交換基團(tuán)。在照射劑量方面，第一步驟中的劑量確定為特定劑量。
發(fā)明內(nèi)容但是，即使進(jìn)行專(zhuān)利文獻(xiàn)1中所述的處理，發(fā)電效率的可能改進(jìn)也是有限的。這是因?yàn)?，?fù)載催化劑的碳具有納米級(jí)尺寸的孔，聚合物之類(lèi)的大分子不能進(jìn)入，以致吸附到這類(lèi)孔上的催化劑(例如鉑)不能在上述三相界面(反應(yīng)點(diǎn))發(fā)揮作用。如上所述，聚合物電解質(zhì)不能ii^碳孔，這是成問(wèn)題的。此外，專(zhuān)利文獻(xiàn)2中所公開(kāi)的方法涉及制造離子交換膜的方法。當(dāng)進(jìn)行該方法時(shí)，不容易進(jìn)行例如輻射操作。考慮現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，作出了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是確保在碳載體上充分存在反應(yīng)氣體、催化劑和電解質(zhì)會(huì)合的三相界面，以改進(jìn)催化劑效率。因而，電極反應(yīng)可以有效地進(jìn)行，從而改進(jìn)了燃料電池的發(fā)電效率。此外，本發(fā)明的另一目的是提供具有優(yōu)異性能的電極和包含能夠產(chǎn)生高電池輸出的電極的聚合物電解質(zhì)燃料電池。此外，本發(fā)明的應(yīng)用不限于聚合物電解質(zhì)燃料電池，因此本發(fā)明可用于與碳載體一起使用的各種催化劑。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用下述催化劑糊可以實(shí)現(xiàn)上述目的其中制備各自具有納米級(jí)孔(其中已經(jīng)原位產(chǎn)生聚合物電解質(zhì))的碳載體而獲得催化劑粉末，使該催化劑粉末與具有磺酸基團(tuán)的全氟化碳聚合物，例如Nafion(商品名)混合。由此完成本發(fā)明。也就是說(shuō)，在第一方面，本發(fā)明涉及制造燃料電池電極的方法，包括下列步驟(1)使具有孔的碳載體負(fù)載催化劑；(2)將充當(dāng)聚合引發(fā)劑的官能團(tuán)引入具有孔的碳載體的表面上和/或孔內(nèi)；(3)引入單體電解質(zhì)或單體電解質(zhì)前體，以使用該聚合引發(fā)劑作為引發(fā)點(diǎn)使所述單體電解質(zhì)或單體電解質(zhì)前體聚合；(4)使負(fù)栽催化劑的載體上的聚合物質(zhì)子化；(5)將質(zhì)子化產(chǎn)物脫水并將其M在水中；(6)對(duì)該^t產(chǎn)品施以過(guò)濾處理；和(7)用所得催化劑粉末制備催化劑糊，并將該催化劑糊成型為給定形狀以制造催化劑層；其特征在于當(dāng)使用在上述(6)中獲得的催化劑粉末制造催化劑層時(shí)，將具有磺脧基團(tuán)的全氟化碳聚合物與該催化劑糊混合。根據(jù)本發(fā)明的制造包含負(fù)載催化劑的碳粒子和聚合物電解質(zhì)的燃料電池電極的方法，聚合物電解質(zhì)和催化劑能夠存在于具有孔的碳載體表面上和碳載體的納米級(jí)大小的孔內(nèi)。此外，主要在碳載體表面上產(chǎn)生包含具有磺脧基團(tuán)的全氟化碳聚合物的層。由此可以改進(jìn)碳載體之間的傳導(dǎo)性。因此，使用通過(guò)本發(fā)明獲得的燃料電池電極，可以改進(jìn)催化劑利用率。因此，在包含離子交換樹(shù)脂、碳粒子和催化劑的燃料電池電極中，利用碳載體的納米孔底部的催化劑形成了三相界面，因此已有的催化劑可有效用于反應(yīng)。如上所述，將單體電解質(zhì)和負(fù)載催化劑的載體混合在一起以使單體聚合。由此，在這種載體的孔內(nèi)形成離子交換路徑，從而提高了催化劑的利用率。相應(yīng)地，使用相同量的材料可以提高發(fā)電效率。在根據(jù)本發(fā)明制成的燃料電池電極的情況下，與不將具有磺脧基團(tuán)的全氟化碳聚合物與催化劑糊混合而獲得的燃料電池電^目比，載體上負(fù)載的鉑之類(lèi)貴金屬的有效利用率改進(jìn)，且發(fā)電效率也改進(jìn)。根據(jù)本發(fā)明，隨著全氟化碳聚合物(其具有磺酸基團(tuán))的混合量提高，催化劑的有效利用率提高。為了確保優(yōu)異的發(fā)電效率，全氟化碳聚合物(其具有磺酸基團(tuán))的混合量為碳載體重量的優(yōu)選5%至70%，更優(yōu)選10°/。至60%。優(yōu)選地，進(jìn)行活性聚合以使單體電解質(zhì)或單體電解質(zhì)前體的分子量在聚合之后落在最佳范圍內(nèi)。因此，優(yōu)選地，聚合引發(fā)劑是活性自由基聚合引發(fā)劑或活性陰離子聚合引發(fā)劑。對(duì)這類(lèi)活性自由基聚合引發(fā)劑沒(méi)有特別限制。其優(yōu)選例子是2-溴異丁酰溴?？捎玫膯误w電解質(zhì)的例子是包含磺酸基團(tuán)、磷酸基團(tuán)、羧酸基團(tuán)和銨基團(tuán)的不飽和化合物，但例子不限于此。此外，可用的單體電解質(zhì)前體的例子包括，但不特別限于，可在聚合之后經(jīng)由水解等產(chǎn)生磺酸基團(tuán)、磷酸基團(tuán)、羧g團(tuán)和銨基團(tuán)的不飽和化合物，以及可以在聚合之后在其中引入磺^團(tuán)、磷g團(tuán)、羧g團(tuán)、銨基團(tuán)的不飽和化合物。其中，優(yōu)選例子是苯乙烯磺酸乙酯。在第二方面中，本發(fā)明涉及包含陽(yáng)極、陰極、和位于陽(yáng)極和陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其包含上述燃料電池電極作為陽(yáng)極和/或陰極。如上所述，當(dāng)提供具有高催化劑效率和優(yōu)異電極性能的本發(fā)明上述電極時(shí)，可以構(gòu)造具有高電池輸出的聚合物電解質(zhì)燃料電池。此外，本發(fā)明的電極具有高催化劑效率和優(yōu)異的耐久性。因此，在使用包含這類(lèi)電極的本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池時(shí)，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地獲得高的電池輸出。根據(jù)本發(fā)明，可以在負(fù)載催化劑的碳載體的表面上和孔內(nèi)均勻合成(產(chǎn)生)聚合物電解質(zhì)。因此，可以減少不與這類(lèi)電解質(zhì)接觸的非活性催化劑的量。此外，主要在碳載體表面上提供包含具有磺脧基團(tuán)的全氟化碳聚合物的層，從而改進(jìn)了這類(lèi)碳載體之間的傳導(dǎo)性。附圖簡(jiǎn)述圖l顯示了傳統(tǒng)的負(fù)載催化劑的載體的示意圖。圖2顯示了本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)的負(fù)載催化劑的載體的示意圖，其包含負(fù)載催化劑的碳粒子和聚合物電解質(zhì)。圖3顯示了^^發(fā)明的負(fù)載催化劑的載體的示意圖，其包含負(fù)載催化劑的碳粒子、已經(jīng)原位聚合的聚合物電解質(zhì)、和與催化劑糊混合的聚合物電解質(zhì)。圖4顯示了本發(fā)明的實(shí)施例的反應(yīng)圖示。圖5顯示了在lA/cn^發(fā)電時(shí)的電壓，它是在燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)中基于電流密度-電壓曲線獲得的。本發(fā)明的最佳實(shí)施方式下面參照附圖描述本發(fā)明。圖1-3顯示了傳統(tǒng)的負(fù)載催化劑的載體和本發(fā)明的負(fù)載催化劑的載體的示意圖。圖l顯示了如下獲得的傳統(tǒng)負(fù)載催化劑的載體在足夠的溶劑中，充分分散負(fù)載催化劑的碳粒子和聚合物電解質(zhì)溶液，例如含Nafion(商品名)的溶液，并將所得物成型為薄膜，然后脫水。如圖所示，催化劑存在于孔底部；但是，只有一部分碳載體表面被聚合物電解質(zhì)涂布。由于一部分負(fù)載催化劑的載體^皮厚厚地涂布，反應(yīng)氣體、催化劑和電解質(zhì)會(huì)合的三相界面不會(huì)充分存在。由此，不能改進(jìn)催化劑效率。根據(jù)上述方法，聚合物形式的Nafion與負(fù)載催化劑的碳粒子一起分散。同時(shí)，負(fù)載催化劑的碳載體具有足夠大的比表面積(大約1000平方米/克)。此外，在碳載體的納米孔中載有孔徑大小為2至3納米的非常小的催化劑粒子，它們各自由數(shù)個(gè)分子構(gòu)成。因此，很少有孔可用于容納分子量為數(shù)千至數(shù)萬(wàn)的分子，例如聚合物電解質(zhì)。因此，碳載體孔底部的大部分催化劑不與電解質(zhì)接觸，因而這類(lèi)催化劑不能用于反應(yīng)。迄今為止，負(fù)載在碳載體上的催化劑的利用率被認(rèn)為大約10%。在使用昂貴的鉑等作為催化劑的系統(tǒng)中，改進(jìn)其利用率是長(zhǎng)期以來(lái)的目標(biāo)。圖2顯示了本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)的負(fù)載催化劑的載體，其包含負(fù)載了催化劑(例如鉑)的碳粒子和聚合物電解質(zhì)。如圖所示，催化劑存在于碳載體表面上和/或孔內(nèi)。此外，聚合物電解質(zhì)均勻且薄薄地分布在碳載體的表面上和孔內(nèi)。因此，該碳載體可用于確保反應(yīng)氣體、催化劑和電解質(zhì)會(huì)合的三相界面的充分存在，從而改進(jìn)催化劑效率?，F(xiàn)有技術(shù)的燃料電池電極如下制造在碳載體外表面上引入聚合引發(fā)劑，將構(gòu)成聚合物電解質(zhì)的單體電解質(zhì)與其混合，并發(fā)生聚合，從而在碳載體表面上和/或納米孔內(nèi)均勻且薄薄地形成聚合物電解質(zhì)。此時(shí)，可以充當(dāng)電解質(zhì)的單體固定在碳表面上。此外，這類(lèi)單體具有數(shù)十至數(shù)百的分子量，因此它們可以到達(dá)納米孔的底部。因此，可以利用位于孔底部且在這類(lèi)孔中發(fā)生聚合時(shí)不與電解質(zhì)接觸的催化劑。因此，借助少量催化劑可以實(shí)現(xiàn)高性能。如上所述，現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池電極在所用催化劑效率方面是有效的。但是，根據(jù)本發(fā)明，催化劑效率進(jìn)一步提高。圖3顯示了用于本發(fā)明的燃料電池電極催化劑的負(fù)載催化劑的載體，其包含負(fù)載催化劑(例如鉑)的碳粒子、已經(jīng)原位聚合的聚合物電解質(zhì)、和已經(jīng)與催化劑糊混合的聚合物電解質(zhì)。如圖所示，催化劑存在于碳載體表面上和/或孔內(nèi)。此外，已經(jīng)原位聚合的聚合物電解質(zhì)均勻且薄薄地分布在碳載體表面上和孔內(nèi)。此外，已經(jīng)原位聚合的聚合物電解質(zhì)的部分表面被與催化劑糊混合的聚合物電解質(zhì)涂布。借助已經(jīng)原位聚合的聚合物電解質(zhì)，在碳載體上充分確保反應(yīng)氣體、催化劑和電解質(zhì)會(huì)合的三相界面。此外，使用與催化劑糊混合的,聚合物電解質(zhì)層，改進(jìn)了碳載體之間的傳導(dǎo)性。因此，可以進(jìn)一步提高催化劑效率。術(shù)語(yǔ)"活性聚合，，在本發(fā)明中是指聚合物末端持續(xù)保持活性的聚合、或非活性聚合物末端和活性聚合物末端處于平衡的準(zhǔn)活性聚合。本發(fā)明中所用的定義包括這兩種聚合形式。活性聚合的已知例子包括活性自由基聚合和活性陰離子聚合?？紤]到聚合時(shí)的可操作性，活性自由基聚合是優(yōu)選的。活性自由基聚合是自由基聚合的一種形式，其間聚合物末端保持活性而不失活。最近，許多研究團(tuán)體已經(jīng)積極研究了活性自由基聚合。已經(jīng)研究的活性自由基聚合的例子包括使用鏈轉(zhuǎn)移劑(例如多硫化物)的活性自由基聚合、使用自由基捕集劑(例如鈷卟啉絡(luò)合物和硝基氧化合物)的活性自由基聚合、以及使用有機(jī)鹵化物作為引發(fā)劑和使用過(guò)渡金屬^物作為催化劑的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATPP)。根據(jù)本發(fā)明，可以使用上述任何方法而沒(méi)有特定限制。推薦其中使用過(guò)渡金屬絡(luò)合物作為催化劑和使用包含一個(gè)或多個(gè)鹵原子的有機(jī)鹵素化合物作為聚合引發(fā)劑的活性自由基聚合法。根據(jù)上述活性自由基聚合法，通常發(fā)生自由基聚合，其間聚合速率非常高，且可能發(fā)生涉及例如自由基之間的偶聯(lián)的封端反應(yīng)。但是，聚合借助活性聚合物繼續(xù)進(jìn)行。因此，可以獲得分子量在有限分子量分布范圍(大約Mw/Mn=l.l至1.5)內(nèi)的聚合物。此外，可以根據(jù)加入的單體的量與加入的引發(fā)劑的量的比率自由地控制分子量。下面更詳細(xì)描述本發(fā)明的燃料電池電極和具有該電極的聚合物電解質(zhì)燃料電池的優(yōu)選實(shí)施方案。本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池的電極包含催化劑層。優(yōu)選地，其包含催化劑層和與催化劑層相鄰放置的氣體擴(kuò)散層。氣體擴(kuò)散層由具有電導(dǎo)性的多孔材料(例如碳布或碳紙)制成?？捎玫呢?fù)載催化劑的碳粒子的例子是炭黑粒子。此外，對(duì)于催化劑粒子，可以使用鉑族金屬，例如鉑和把。在碳載體的比表面積超過(guò)200平方米/克時(shí)，特別可以產(chǎn)生本發(fā)明的效果。具體而言，具有寬的比表面積的這類(lèi)碳載體在其表面上具有許多納米級(jí)細(xì)孔，因而具有優(yōu)異的氣體擴(kuò)散性。另一方面，在納米級(jí)細(xì)孔內(nèi)存在的催化劑粒子不與聚合物電解質(zhì)接觸，因此這類(lèi)催化劑粒子不參與反應(yīng)?？紤]到這一點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明，分散在聚合物電解質(zhì)中的催化劑粒子與甚至在納米級(jí)細(xì)孔內(nèi)的催化劑粒子接觸。由此，可以有效利用催化劑粒子。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以在保持反應(yīng)效率的同時(shí)改進(jìn)氣體擴(kuò)散率。[實(shí)施例I下面，參照下列實(shí)施例更詳細(xì)描述本發(fā)明的燃料電池催化電極和聚合物電解質(zhì)燃料電池。[制造負(fù)載催化劑的載體，其包含負(fù)載催化劑的碳粒子和已經(jīng)原位聚合的聚合物電解質(zhì)圖4顯示了包含負(fù)載催化劑的碳粒子和已經(jīng)原位聚合的聚合物電解質(zhì)的負(fù)載催化劑的載體的反應(yīng)圖示，該載體用于下述實(shí)施例中。首先，在載鉑的碳粒子中引入官能團(tuán)，該官能團(tuán)充當(dāng)活性自由基聚合的引發(fā)劑。使作為碳催化劑的VULCANXC72(碳載體)上負(fù)載鉑(40重量。/oPt)。碳載體(1)具有包含羥基、、羰基等的稠環(huán)體系。該體系內(nèi)的羥基與用于活性自由基聚合的引發(fā)劑進(jìn)行反應(yīng)。最初，碳催化劑具有羥基。此外，可以對(duì)碳催化劑施以硝酸處理以調(diào)節(jié)羥基數(shù)。在THF中，使2-溴異丁酰溴與碳粒子的酚式羥基在堿(三乙胺)存在下反應(yīng)，從而在碳粒子(2)中引入在活性自由基聚合時(shí)充當(dāng)引發(fā)劑的官能團(tuán)。然后，將具有磺酸基團(tuán)作為側(cè)鏈的聚合物接枝到載鉑的碳粒子上。將經(jīng)由上述反應(yīng)獲得的載鉑的碳粒子(2)裝入圓底燒瓶?jī)?nèi)，在所述載鉑的碳粒子(2)中已經(jīng)引入了充當(dāng)活性自由基聚合的引發(fā)點(diǎn)的官能團(tuán)。通過(guò)在燒瓶?jī)?nèi)引入氬氣進(jìn)行脫氧。然后，向其中緩慢倒入苯乙烯磺酸乙酯(ETSS,Tosoh)。此外，繼續(xù)脫氧。此后，根據(jù)需要在其中加入充當(dāng)催化劑的過(guò)渡金屬化合物及其配體。將所得物充分?jǐn)嚢?。然后，使用溶劑引發(fā)活性自由基聚合，該溶劑的溫度在聚合過(guò)程中不升高，從而獲得通過(guò)接枝具有乙基磺脧基團(tuán)作為側(cè)鏈的聚合物而獲得的載鉑的碳粒子(3)。在此，根據(jù)要加入的苯乙烯磺酸乙酯的量自由地確定"n",其中"n"代表作為重復(fù)單元的苯乙烯磺酸乙酯的聚合程度。"n"的值大約為5至100，優(yōu)選大約10至30,但其不特別限于此。在載鈿的碳粒子(通過(guò)接枝具有乙基磺酸基團(tuán)作為側(cè)鏈的聚合物而獲得)的分散溶液中加入碘化鈉。乙基磺酸基團(tuán)進(jìn)行水解和質(zhì)子化，從而獲得磺酸鈉。使用硫酸使鈉被氬取代，以獲得磺酸基團(tuán)。將所得負(fù)載催化劑的-灰粒子脫水并分散在水中。此后，將由此獲得的溶液用己烷稀釋10倍。將所得分散溶液過(guò)濾并脫水，從而獲得燃料電池催化劑粉末。[實(shí)施例1.將如上獲得的催化劑粉末與含有環(huán)己醇、水和Nafion的混合物溶液混合。然后制備相對(duì)于碳載體重量分別含有10重量％、60重量％、80重量％和100重量。/。Nafion的混合物溶液(催化劑糊)。2.將上文1中獲得的混合物溶液(催化劑糊)逐滴添加到Teflon(商品名)中。然后，將混合物溶液用刮刀等薄薄鋪開(kāi)。3.將上文2中獲得的所得物裝入真空干燥器以從所得物中去除溶劑。由此，制造薄膜(催化劑層)。對(duì)比例]以實(shí)施例中所述的方式制備混合物溶液(催化劑糊)，不同的是不使用Nafion。由此，制造薄膜(催化劑層)。[性能評(píng)測(cè)將合成的薄膜(催化劑層)各自連接到燃料電池電解質(zhì)膜上以制造MEAs。對(duì)所得MEAs進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)測(cè)量。然后，根據(jù)進(jìn)行氫的氧化反應(yīng)時(shí)的峰檢測(cè)鉑有效應(yīng)用方面的性能。此外，將MEAs用于燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)。然后，根據(jù)電流密度-電壓曲線測(cè)量以1A/cii^發(fā)電時(shí)的電壓。結(jié)果顯示在表l和圖4中。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表l中所示的結(jié)果表明，在根據(jù)本發(fā)明制造燃料電池電極的每種情況下，與不將具有磺酸基團(tuán)的全氟化碳聚合物與催化劑糊混合(Nafion重量0%)而獲得的燃料電池電極的情況相比，隨著Nafion的重量百分比提高，CV時(shí)的氫化峰顯著增大。因此，可以看出，負(fù)載在載體上的貴金屬催化劑(例如鉑)的有效利用率顯著提高。這,皮認(rèn)為是因?yàn)?，在已?jīng)原位聚合的聚合物電解質(zhì)表面被與催化劑糊混合的聚合物電解質(zhì)部分涂布時(shí)，與已經(jīng)原位聚合的聚合物電解質(zhì)均勻并薄薄分布在碳載體表面上和孔內(nèi)的情況相比，電導(dǎo)率提高。根據(jù)表l和圖5中所示的結(jié)果，可以看出，當(dāng)與催化劑糊混合的Nafion的重量落在優(yōu)選范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)電效率提高。優(yōu)選地，Nafion的重量為碳載體重量的5%至70%。如上所示，已經(jīng)證實(shí)，借助本發(fā)明的燃料電池電極，可以發(fā)揮充分的MEA性能。工業(yè)適用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在碳載體中可以確保反應(yīng)氣體、催化劑和電解質(zhì)會(huì)合的三相界面的充分存在，從而顯著提高燃料電池中所用的催化劑的效率。這種有效的電極反應(yīng)過(guò)程提高了燃料電池的發(fā)電效率。由此，本發(fā)明有助于燃料電池的實(shí)際應(yīng)用和廣泛應(yīng)用。權(quán)利要求1.制造燃料電池電極的方法，包括下列步驟使具有孔的碳載體負(fù)載催化劑；在所述具有孔的碳載體的表面上和/或孔內(nèi)引入充當(dāng)聚合引發(fā)劑的官能團(tuán)；引入單體電解質(zhì)或單體電解質(zhì)前體，以使用所述聚合引發(fā)劑作為引發(fā)點(diǎn)使該單體電解質(zhì)或單體電解質(zhì)前體聚合；使在所述負(fù)載催化劑的載體上的聚合物質(zhì)子化；將質(zhì)子化的產(chǎn)物脫水，并將它們分散在水中；對(duì)分散產(chǎn)物施以過(guò)濾處理；并用所得催化劑粉末制備催化劑糊，并將該催化劑糊成型為給定形狀以制造催化劑層；其特征在于當(dāng)使用所得催化劑粉末制造催化劑層時(shí)，將具有磺酸基團(tuán)的全氟化碳聚合物與該催化劑糊混合。2.根據(jù)權(quán)利要求l的制造燃料電池電極的方法，其特征在于所述具有磺酸基團(tuán)的全氟化碳聚合物的混合量為碳載體重量的5%至70%。3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的制造燃料電池電極的方法，其特征在于所述聚合引發(fā)劑是活性自由基聚合引發(fā)劑或活性陰離子聚合引發(fā)劑。4.根據(jù)權(quán)利要求3的制造燃料電池電極的方法，其特征在于所述活性自由基聚合引發(fā)劑是2-溴異丁酰溴。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)的制造燃料電池電極的方法，其特征在于在通過(guò)單體電解質(zhì)前體的聚合獲得聚合物后，使該聚合物水解或在該聚合物中引入離子交換基團(tuán)。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)的制造燃料電池電極的方法，其特征在于所述單體電解質(zhì)前體是苯乙烯磺酸乙酯。7.聚合物電解質(zhì)燃料電池，其包含陽(yáng)極、陰極、和位于陽(yáng)極與陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜，該聚合物電解質(zhì)燃料電池包含通過(guò)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)的方法制成的燃料電池電極作為陽(yáng)極和/或陰極。全文摘要本發(fā)明涉及制造燃料電池電極的方法和具有燃料電池電極的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其目的是確保在碳載體上充分存在三相界面(反應(yīng)氣體、催化劑和電解質(zhì)在此會(huì)合)，以改進(jìn)所用催化劑的效率。本發(fā)明提供了制造燃料電池電極的方法，該方法包括下列步驟使具有孔的碳載體負(fù)載催化劑；將充當(dāng)聚合引發(fā)劑的官能團(tuán)引入具有孔的碳載體的表面上和/或孔內(nèi)；引入單體電解質(zhì)或單體電解質(zhì)前體，以使用所述聚合引發(fā)劑作為引發(fā)點(diǎn)使該單體電解質(zhì)或單體電解質(zhì)前體聚合；使負(fù)載催化劑的載體上的聚合物質(zhì)子化；將質(zhì)子化產(chǎn)物脫水并將其分散在水中；對(duì)該分散產(chǎn)品施以過(guò)濾處理；并用所得催化劑粉末制備催化劑糊，并將該催化劑糊成型為給定形狀以制造催化劑層；其特征在于當(dāng)使用所得催化劑粉末制造催化劑層時(shí)，將具有磺酸基團(tuán)的全氟化碳聚合物與該催化劑糊混合。文檔編號(hào)H01M8/00GK101278431SQ200680036658公開(kāi)日2008年10月1日申請(qǐng)日期2006年12月7日優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日發(fā)明者濱口寬申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社