CN105552413A - 催化剂电极层、膜-电极组件和燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种催化剂电极层、膜-电极组件和燃料电池，所述催化剂电极层被构造为以与燃料电池的电解质膜接触的方式进行设置。每单位面积所述催化剂电极层的Fe含量等于或大于0μg/cm2且等于或小于0.14μg/cm2，且所述催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂电极层、膜-电极组件和燃料电池。
背景技术
用于聚合物电解质燃料电池中的膜-电极组件包括传导质子的聚合物电解质膜、以及负极和正极，所述负极和正极是设置在电解质膜上的催化剂电极层。在燃料电池中，供给至膜-电极组件的氢气或氧气可以穿过电解质膜而不用于发电反应，并可以移动到与供给了氢气或氧气的电极相对的电极。在此情况中，可以在有氢气和氧气的电极侧产生过氧化氢(H2O2)。已知的是，催化剂电极层被产生自过氧化氢的过氧化氢自由基劣化。由此，日本专利申请公布2013-069534(JP2013-069534A)描述了包括隔膜的燃料电池，在所述隔膜中形成了用于向催化剂电极层供给水的加湿通道以便使用水来排出产生的过氧化氢自由基。
然而，对于抑制催化剂电极层劣化的技术仍存在改进的空间。本发明的发明人已经发现，为了改善膜-电极组件的耐久性，除了以使得如在上述现有技术中在燃料电池发电期间将催化剂电极层保持在潮湿状态的方式形成燃料电池之外，更优选使得催化剂电极层的吸水能力落在规定范围内。
发明内容
本发明的一方面涉及被构造为以与燃料电池的电解质膜接触的方式设置的催化剂电极层。每单位面积催化剂电极层的Fe含量等于或大于0μg/cm2且等于或小于0.14μg/cm2，且催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％。其中在电池温度为60℃、相对湿度为40％且发电电压为0.5V的条件下将包含所述催化剂电极层的燃料电池保持100小时之后，将在其中温度为100℃且相对湿度为0％的环境下将所述催化剂电极层干燥1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q1，将在其中温度为70℃且相对湿度为15％的环境下将所述催化剂电极层进一步保持1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q2，且将在其中温度为70℃且相对湿度为90％的环境下将所述催化剂电极层进一步保持1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q3时，所述吸水率满足如下关系：
吸水率＝(Q3-Q1)/Q1×100-(Q2-Q1)/Q1×100。
利用该构造，可改善催化剂电极层的耐久性。
本发明可以在各种方面实现。例如，本发明可以作为包括催化剂电极层的膜-电极组件、包括所述膜-电极组件的燃料电池及其制造方法、以及另外包括上述试验方法的膜-电极组件的制造方法来实现。
附图说明
下面将参考附图对本发明示例性实施方式的特征、优势和技术和工业意义进行说明，其中相似符号表示相似元件，且其中：
图1是显示根据本发明实施方式的燃料电池的示意性构造的说明图；
图2是显示根据实施方式的膜-电极组件的制造方法的流程图；
图3是显示关于试样#1～#11的吸水率与性能下降率之间关系的关系图；
图4是显示关于试样#1～#6和#9～#11的吸水率与电池电阻之间关系的关系图；
图5是显示关于试样#1～#6和#9～#11的吸水率与离聚物分解率之间关系的关系图；
图6是显示关于试样#3～#6和#9～#11的吸水率与Fe含量之间关系的关系图；
图7是显示关于试样#1～#6和#9的吸水率与相对湿度之间关系的关系图；
图8是显示关于试样#3～#9的吸水率与气体扩散阻抗(gasdiffusionresistance)之间关系的关系图；
图9是显示关于试样#12～#16的吸水率与性能下降率之间关系的关系图。
具体实施方式
图1是显示根据本发明一个实施方式的燃料电池10的示意性构造的说明图。燃料电池10是聚合物电解质燃料电池。燃料电池10具有其中堆叠多个单元电池14的堆叠结构。在燃料电池10中，各个单元电池14是产生电力的单元模块。单元电池14通过使用氢气和包含在空气中的氧气之间的电化学反应来产生电力。各个单元电池14包括发电体20和成对的隔膜100(负极侧隔膜100an和正极侧隔膜100ca)。发电体20夹在隔膜100之间。发电体20包括膜-电极组件(MEA)23和设置在膜-电极组件23各侧上的成对的气体扩散层24(负极侧扩散层24an和正极侧扩散层24ca)。膜-电极组件23包括电解质膜21和设置在电解质膜21各表面上的催化剂电极层22(负极22an和正极22ca)。
电解质膜21是由例如氟树脂形成的传导质子的离子交换膜。电解质膜21在潮湿条件下展示良好的导电性。作为电解质膜21，例如可以使用由在侧链端具有至少一个磺酸基(-SO3H基团)的全氟磺酸聚合物形成的固体聚合物电解质膜。更具体地，作为电解质膜21，例如可以使用氟基磺酸膜如Nafion膜(117，Nafion是注册商标)、Aciplex(注册商标)或Flemion(注册商标)。
当燃料电池10产生电力时，催化剂电极层22的负极22an充当负极。当燃料电池10产生电力时，催化剂电极层22的正极22ca充当正极。例如，催化剂电极层22中的每一个可以包括负载促进电化学反应的催化剂金属(例如铂)的碳粒子(催化剂载体)和传导质子的聚合物电解质(离聚物)。作为离聚物，例如可以使用在侧链端具有至少一个磺酸基(-SO3H基团)的全氟磺酸聚合物。包括在催化剂电极层22中的离聚物可以是与包括在电解质膜21中的离聚物相同的聚合物、或与包括在电解质膜21中的离聚物不同的聚合物。作为导电载体(作为催化剂载体)，除了碳粒子之外，还可使用例如：碳材料如炭黑、碳纳米管和碳纳米纤维；以及碳化合物如碳化硅。作为催化剂金属，除了铂之外，还可以使用例如铂合金、钯、铑、金、银、锇和铱。
催化剂电极层22中的每一个优选以使得催化剂电极层22的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％(即吸水率为11％～30％)的方式构造。吸水率是显示催化剂电极层的吸水性能的值。在其中催化剂电极层22的吸水率等于或高于11％的情况中，即使由于交叉泄露等而产生过氧化氢，产生的过氧化氢仍能够通过包含在催化剂电极层22中的水排出。因此，由过氧化氢造成的离聚物的分解受到抑制。此外，在其中吸水率等于或低于30％的情况中，可以抑制由如下导致的向催化剂供给气体的效率的下降：由离聚物的溶胀造成催化剂电极层22的孔的关闭。
即使在相同湿度环境(湿气环境)下，吸入催化剂电极层22的水的量仍根据例如构成离聚物的分子的性质而变化。更具体地，构成离聚物的分子包括全氟碳系主链和至少一个在其端部具有磺酸基(-SO3H基团)的侧链。在此情况中，即使在相同湿度环境下，吸入催化剂电极层22的水的量仍根据例如侧链中磺酸基(-SO3H基团)的数量和主链的刚性而变化。催化剂电极层22的吸水率受催化剂电极层22中离聚物的种类和重量百分比、催化剂电极层中碳(催化剂载体)的种类和重量百分比以及催化剂电极层的结构的影响(根据其变化)。例如，关于离聚物，随着磺酸的量的增大，吸水率增大，且随着结晶度升高，吸水率下降。例如，关于碳，随着表面积或孔体积的增大，吸水率升高。此外，例如关于催化剂层的结构，随着厚度增大，吸水率升高。通过调节这些因素，能够将催化剂电极层22的吸水率设置为上述范围中的值。
通过下述方法计算催化剂电极层22的吸水率。首先，将包括其中形成催化剂电极层22的膜-电极组件的燃料电池在电池温度为60℃、相对湿度为40％且发电电压为0.5V的条件下保持100小时。然后，将催化剂电极层22从膜-电极组件刮掉(去掉)，并在其中温度为100℃且相对湿度(RH)为0％的环境中干燥1小时，然后测定催化剂电极层22的重量Q1。接下来，将催化剂电极层22在其中温度为70℃且相对湿度(RH)为15％的环境中保持1小时，然后测定催化剂电极层22的重量Q2。此外，将催化剂电极层22在其中温度为70℃且相对湿度(RH)为90％的环境中保持1小时，然后测定催化剂电极层22的重量Q3。通过使用下述表达式(1)，根据测定的重量Q1、Q2和Q3计算催化剂电极层22的吸水率。
吸水率＝(Q3-Q1)/Q1×100-(Q2-Q1)/Q1×100...(1)
根据生产工艺等可将铁(Fe)混入催化剂电极层22中。在此情况中，优选Fe的含量应等于或大于0μg/cm2且等于或小于0.14μg/cm2(即Fe的含量应为0μg/cm2～0.14μg/cm2)。与其中Fe在催化剂电极层中的含量大于0.14μg/cm2的情况相比，在其中Fe的含量在上述范围内的情况中，即使产生过氧化氢，离聚物仍不易被产生的过氧化氢分解。
气体扩散层24是其中用于电极反应中的反应气体(即负极气体和正极气体)沿电解质膜21的平面方向扩散的层。气体扩散层24中的每一个由多孔气体扩散层基材形成。作为气体扩散层24，例如可以使用由碳纸或碳布形成的碳多孔体。通过利用拒水糊料对气体扩散层基材进行涂布(即通过对气体扩散层基材实施拒水处理)，可以在气体扩散层24中形成拒水层，使得气体扩散层24具有拒水性。作为拒水糊料，例如可以使用碳粉和拒水树脂(例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯或聚丙烯)的混合溶液。
隔膜100中的每一个由具有气体阻挡性质和导电性的膜形成。例如，使用如下物质形成隔膜100：碳构件，所述碳构件由例如通过对碳进行压缩而使得不透气的致密碳制成；或金属构件，所述金属构件由不锈钢等制成并通过压制工艺形成。在隔膜100的表面上设置凸起和凹进，从而形成气体和液体流经的流动通道。负极气体通道AGC形成在负极侧隔膜100an与负极侧扩散层24an之间。正极气体通道CGC形成在正极侧隔膜100ca与正极侧扩散层24ca之间。
图2是显示根据实施方式的膜-电极组件23的制造方法的流程图。为了制造膜-电极组件23，首先，制造催化剂油墨(步骤S100)。更具体地，制备了离聚物和负载催化剂的碳，所述离聚物是在侧链端具有至少一个磺酸基(-SO3H基团)的全氟磺酸聚合物。然后，将离聚物和负载催化剂的碳分散在溶剂(例如醇)的水溶液中以制造催化剂油墨。在步骤S100中分散离聚物和负载催化剂的碳的操作没有特别限制，只要能够将离聚物和负载催化剂的碳充分地分散在溶剂中即可。例如，可以将诸如搅拌工艺和超声工艺的工艺适当结合。
例如通过将由炭黑制成的碳粒子分散在铂化合物的溶液中，并实施浸渍工艺、共沉淀工艺或离子交换工艺，能够制造负载催化剂的碳。作为铂化合物的溶液，可以使用例如四氨合铂盐的溶液、二硝基二氨合铂的溶液、硝酸铂溶液或氯铂酸溶液。例如，与离聚物混合的负载催化剂的碳的量在使得离聚物相对于负载催化剂的碳的重量比为0.5～1.2的范围。
在步骤S100之后，将制造的催化剂油墨施加到基板上，并干燥(步骤S110)。基板没有特别限制，只要通过将催化剂油墨施加到基板上能够形成膜即可。基板可以为由例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚四氟乙烯(PTFE)形成的薄膜。在步骤S110中施加催化剂油墨的方法没有特别限制。例如，可以使用喷雾法、丝网印刷法、刮刀法或模涂法。通过将催化剂油墨施加到基板上并对催化剂油墨进行干燥，催化剂油墨中的溶剂挥发，由此催化剂油墨的层(催化剂油墨层)变为多孔层。
然后，对基板上的催化剂油墨层进行加热，使得催化剂油墨层的基板侧(即催化剂油墨层侧，其与基板接触)为高温侧(步骤S120)。更具体地，实施加热，使得催化剂油墨层的基板侧的温度为预先设定的第一温度，且不与基板接触的催化剂油墨层侧的温度为低于第一温度的第二温度，即在催化剂油墨层内设置温度梯度。
将步骤S120中加热的催化剂油墨层转印到电解质膜上(步骤S130)，由此完成膜-电极组件。例如通过在其上不设置基板的催化剂油墨层表面与电解质膜接触的同时进行热压制，可以将催化剂油墨层转印到电解质膜上。在将催化剂油墨层转印到电解质膜上之后，将基板从催化剂油墨层分离(除去)。由此，在电解质膜上形成正极。
在实施方式中，通过如下在电解质膜上形成负极：将与用于形成正极的催化剂油墨相同或相似的催化剂油墨施加到基板上，并将催化剂油墨层转印到电解质膜上而不实施步骤S120中的加热。通过在步骤S130之前将催化剂油墨层转印到电解质膜上，可以形成负极。或者，在通过将催化剂油墨层转印到电解质膜上而形成正极之后，通过在步骤S130中将催化剂油墨层转印到电解质膜上，可以形成负极。
为了确认实施方式的效果，制备了膜-电极组件的十六个试样#1～#16，并对包括在每个试样中的催化剂电极层实施耐久性评价。
(1)如下所述制造了试样#1～#8中的每一个。制造了催化剂，使用所述催化剂制造了催化剂油墨，使用所述催化剂油墨制造了催化剂电极层，并使用所述催化剂电极层制造了膜-电极组件(MEA)。
(制造催化剂粉末)作为负载催化剂的碳，使用乙炔黑系碳。乙炔黑系碳具有850m2/g的表面积、12nm的初始粒度、0.02/ml的堆积密度、20nm的晶体尺寸(La)、870mg/g的碘吸附量和280ml/g的邻苯二甲酸二丁酯吸油量(DBP吸油量)。然后，将5.0g的乙炔黑系碳添加至1.2L的纯水中，并分散在纯水中以制造分散液。将含5.0g铂的硝酸六氢氧铂溶液和含0.21g钴的硝酸钴水溶液滴入分散液中，并利用碳充分搅拌。然后，在对分散液搅拌之后，向分散液添加约100ml的0.1N的氨水以实现约10的pH。由此，形成氢氧化物并沉积在碳上。对分散液进行过滤以得到粉末，并将得到的粉末在100℃下真空干燥10小时。接下来，在将粉末在氢气中在400℃下保持2小时的同时实施还原过程。然后，将粉末在氮气中在1000℃下保持10小时以制造合金粉末。由此，得到催化剂粉末。将催化剂粉末在1.0N的硝酸中搅拌2小时。在得到的催化剂的组成方面，Pt为49重量％，Co为2重量％且C为49重量％。PtCo的平均粒度为4nm。
(制造催化剂油墨)然后，将10ml超纯水添加至1g制造的催化剂粉末中，并实施搅拌。然后，添加5ml乙醇，并利用搅拌棒实施搅拌以得到其中粒子处于全悬浮状态的悬浮液。然后，将作为离子导体的具有910当量重量(EW)的离聚物溶液缓慢滴入悬浮液中，直至离聚物溶液的固体成分对催化剂中碳的重量比(下文中称作“I/C”)变为1.0，并使用超声分散装置分散30分钟以得到均匀浆料。由此，制造了作为催化剂电极材料的催化剂油墨。
(制造催化剂电极层)使用刮墨刀将制造的催化剂油墨均匀施加在Teflon(注册商标)片上，使得每单位面积催化剂的铂重量为0.3mg/cm2。在将催化剂油墨施加在Teflon片上之后，将Teflon片在80℃下干燥3小时，由此制造了催化剂电极层。
(制造膜-电极组件)将Nafion(注册商标)117用作固体聚合物电解质膜，并将制造的催化剂电极层用作负极和正极中的每一个。在将固体聚合物电解质膜夹在负极与正极之间的同时，在170℃下实施300秒热压制。由此，制造了膜-电极组件。
(耐久性试验)将制造的膜-电极组件夹在气体扩散层基材与拒水层之间，所述气体扩散层基材各自由碳纤维形成。将H2供给至负极，并将空气供给至正极，并在60℃的电池温度下测定电流-电压特性(即I-V特性)。将在0.5V电池电压下的电流值(A)视为初始性能(在耐久性试验之前的性能)。然后进行耐久性试验。更具体地，在相同条件下通过试样#1～#8产生电力并持续100小时。下面对耐久性试验期间试样#1～#8的相对湿度(％)进行描述。在正极侧上的气体供给口处测定相对湿度。因为使得耐久性试验期间试样#1～#8的相对湿度相互不同，所以使得试样#1～#8的吸水率相互不同。使得耐久性试验期间试样#1～#8的相对湿度相互不同，从而易于模拟由催化剂电极层的组成不同而造成的吸水率(吸水性能)的不同。实际上，通过调节催化剂电极层的组成，能够调节吸水率。试样#1的相对湿度为20％，试样#2的相对湿度为30％，试样#3的相对湿度为40％，试样#4的相对湿度为60％，试样#5的相对湿度为80％，试样#6的相对湿度为100％，试样#7的相对湿度为130％，且试样#8的相对湿度为200％。
(2)如下所述制造了试样#9～#11中的每一个。当制造催化剂油墨时，添加硝酸铁(III)，由此以使得催化剂电极层包含Fe的方式制造了催化剂电极层。由此，制造了催化剂电极层。在试样#9～#11中的每一个中的每单位面积催化剂电极层的Fe含量如下所述。其他制造条件与在制造试样#1～#8时所使用的那些相同。如同在试样#3的情况中，在耐久性试验期间的相对湿度为40％。在试样#9中Fe的含量为0.14μg/cm2，在试样#10中Fe的含量为0.28μg/cm2，且在试样#11中Fe的含量为0.56μg/cm2。
(3)如下所述制造了试样#12～#16中的每一个。试样#12～#16与试样#1～#8在以下点方面不同。如同在试样#3的情况中，在耐久性试验期间的相对湿度为40％。关于试样#12，在制造催化剂油墨的过程中添加四氢呋喃以代替乙醇。关于试样#13，在制造催化剂油墨的过程中添加丙酮以代替乙醇。关于试样#14，在制造催化剂电极层的过程中在-200mmHg的真空下对施加了催化剂油墨的Teflon片进行干燥。关于试样#15，在制造催化剂油墨的过程中不添加乙醇。关于试样#16，在制造催化剂油墨的过程中添加具有高沸点的氟系溶剂(由旭硝子玻璃股份有限公司制造的ASAHIKLINAC-6000)以代替水和乙醇。
(耐久性性能评价)在上述耐久性试验之后，测定了I-V特性，并将在0.5V电池电压下的电流值(A)视为耐久性试验之后的性能。使用下述表达式(2)由测定的初始性能和耐久性试验之后测定的性能计算了性能下降率。此外，使用频率响应分析仪(FRA)将在1000Hz频率下的阻抗测定为电池电阻(Ω·cm2)。
性能下降率＝(初始性能-耐久性试验之后的性能)/初始性能×100...(2)
(物理性质(吸水率))在上述耐久性试验之后，将正极催化剂电极层从各个试样刮掉(去掉)，并测定重量Q1、重量Q2和重量Q3。此外，使用上述表达式(1)计算各个试样的催化剂电极层的吸水率(％)。
(物理性质(离聚物分解率))以使得温度以1℃/分钟的升高速率升至500℃的方式在N2流中对从各个试样去掉的正极催化剂电极层实施加热。使用质量分析仪对离聚物的释放的硫(S)组分的量进行测定。基于耐久性试验之前S组分的量与耐久性试验之后S组分的量之间的比测定了离聚物的分解率(％)，如下述表达式(3)所示。
离聚物分解率＝(耐久性试验之前S组分的量-耐久性试验之后S组分的量)/耐久性试验之后S组分的量×100...(3)
(物理性质(气体扩散阻抗))关于耐久性试验之后的各个试样，在将相对湿度设定为30％的同时对I-V特性进行测定，并以氧浓度低的方式供给反应气体。基于得到的I-V特性测定限制电流(A)。限制电流是在I-V特性中在其中电流不随电压下降而升高的位置处的电流。使用下述表达式(4)由测定的限制电流计算气体扩散阻抗(秒/m)。
气体扩散阻抗＝O2分压(Pa)×法拉第常数×发电面积(cm2)/8.31×温度(K)×限制电流(A)...(4)
图3是显示关于试样#1～#11的吸水率(％)与性能下降率(％)之间关系的关系图。关于其吸水率等于或高于11％且等于或低于30％的试样#3～#6和#9，性能下降率等于或低于1％。相反，关于其吸水率等于或低于8％的试样#1、#2、#10和#11以及其吸水率等于或高于40％的试样#7和#8，性能下降率等于或高于4％。基于所述结果发现，当催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％(即吸水率为11％～30％)时，与当吸水率在所述范围之外时相比，催化剂电极层的耐久性升高。
图4是显示关于试样#1～#6和#9～#11的吸水率(％)与电池电阻(Ω·cm2)之间关系的关系图。基于关于试样#1～#6和#9～#11的结果发现，在其中吸水率等于或低于30％的范围内，随着吸水率的升高，电池电阻下降。由此发现，当催化剂电极层的吸水率等于或高于11％时，与吸水率低于11％时相比，电池电阻下降。
图5是显示关于试样#1～#6和#9～#11的吸水率(％)与离聚物分解率(％)之间关系的关系图。基于关于试样#1～#6和#9～#11的结果发现，在其中吸水率等于或低于30％的范围内，随着吸水率的升高，离聚物的分解率下降。认为该原因在于，随着催化剂电极层的吸水率变得更高，由耐久性试验期间产生的过氧化氢导致的离聚物的分解进一步受到抑制。由此发现，当催化剂电极层的吸水率等于或高于11％时，与吸水率低于11％时相比，离聚物的分解率下降。
图6是显示关于试样#3～#6和#9～#11的吸水率(％)与Fe的含量之间关系的关系图。基于关于试样#3和#9～#11的结果发现，即使当耐久性试验期间的相对湿度相同(40％RH)时，随着催化剂电极层中Fe含量的升高，催化剂电极层的吸水率下降。认为该原因在于，包含在催化剂电极层中的Fe促进了由过氧化氢导致的离聚物的分解。由此发现，催化剂电极层中Fe的含量优选等于或大于0μg/cm2且等于或小于0.14μg/cm2。
图7是显示关于试样#1～#6和#9的吸水率(％)与相对湿度(％)之间关系的关系图。基于关于试样#1～#6的结果发现，随着耐久性试验期间相对湿度的下降，催化剂电极层的吸水率下降。认为原因在于，随着耐久性试验期间相对湿度变得更低，离聚物更易于因耐久性试验期间的过氧化氢而分解。由此发现，优选将耐久性试验期间的相对湿度设定为40％，而不是将相对湿度设定为低于40％的值。此外更优选的是，在耐久性试验期间将膜-电极组件在电池温度为60℃、相对湿度为40％且发电电压为0.5V的条件下保持100小时。
图8是显示关于试样#3～#9的吸水率(％)与气体扩散阻抗(秒/m)之间关系的关系图。基于关于其吸水率等于或高于10％的试样#3～#9的结果发现，随着催化剂电极层的吸水率升高，气体扩散阻抗增强。认为原因在于，随着催化剂电极层的吸水率变得更高，由于离聚物的溶胀而导致因保留在催化剂电极层中的水而更易于发生溢流。由此发现，当催化剂电极层的吸水率等于或低于30％时，与吸水率高于30％时相比，气体扩散阻抗下降。
图9是显示关于试样#12～#16的吸水率(％)与性能下降率(％)之间关系的关系图。关于其吸水率等于或高于11％且等于或低于30％的试样#12～#14，性能下降率基本为0％。相反，关于其吸水率为8％的试样#15和其吸水率为48％的试样#16，性能下降率为4％。由此发现，当催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％(即吸水率为11％～30％)时，与当吸水率在所述范围之外时相比，催化剂电极层的耐久性提高。此外，基于关于试样#12～#16的结果发现，催化剂电极层的吸水率与催化剂电极层的耐久性相关，而与耐久性试验期间的相对湿度、材料和制造条件无关。
由此认为，通过对催化剂电极层的吸水率进行控制以使得吸水率在规定范围内，能够实现高的耐久性(优异的耐久性)。更具体地，由图3中所示的关于试样#1～#11的结果可明显看出，优选的是，催化剂电极层的吸水率应控制为等于或高于11％且等于或低于30％(吸水率应控制为在11％～30％的范围内)且催化剂电极层中Fe的含量应控制为等于或大于0μg/cm2且等于或小于0.14μg/cm2(Fe的含量应控制为在0μg/cm2～0.14μg/cm2的范围内)。当催化剂电极层的吸水率和催化剂电极层中Fe的含量以上述方式进行控制时，能够改善催化剂电极层的耐久性。
本发明不限于上述实施方式，且可以在不背离本发明范围的条件下以各种方式实现。例如，本发明可以以下述变形例实现。
(第一变形例)在上述实施方式中，将其吸水率为11％～30％且Fe的含量为0μg/cm2～0.14μg/cm2的催化剂电极层用作负极22an和正极22ca中的每一个。然而，仅负极22an和正极22ca中的一个可以由上述催化剂电极层构成。同样在此情况中，能够改善催化剂电极层的耐久性。优选负极22an和正极22ca两者都应由上述催化剂电极层构成。
(第二变形例)本发明可以作为膜-电极组件的试验方法来实现。例如，在包括如图1中所示的催化剂电极层22的膜-电极组件23的试验方法中，制备包括膜-电极组件23的燃料电池10，并在电池温度为60℃且相对湿度为40％的条件下对燃料电池10进行耐久性试验。通过以此方式对燃料电池10进行试验，可以降低膜-电极组件在试验之后的劣化。更具体地，由图7中所示的结果可明显看出，当耐久性试验期间的相对湿度为40％时，催化剂电极层的吸水率在11％～30％的范围内。由此发现，优选将耐久性试验期间的相对湿度设定为40％，使得在试验之后催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％。由此，通过在试验期间进行耐久性试验，可以抑制膜-电极组件的劣化。试验期间的电池温度没有特别限制。然而，优选电池温度应为60℃。进行耐久性试验的试验时间段没有特别限制。然而，优选试验时间段应为100小时。
Claims (4)
1.一种催化剂电极层，所述催化剂电极层被构造成以与燃料电池的电解质膜接触的方式设置，其特征在于：
所述催化剂电极层的每单位面积的Fe含量等于或大于0μg/cm2且等于或小于0.14μg/cm2，且所述催化剂电极层的吸水率等于或高于11％且等于或低于30％；其中
在电池温度为60℃、相对湿度为40％且发电电压为0.5V的条件下将包含所述催化剂电极层的燃料电池保持100小时之后，将在其中温度为100℃且相对湿度为0％的环境下将所述催化剂电极层干燥1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q1，将在其中温度为70℃且相对湿度为15％的环境下将所述催化剂电极层进一步保持1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q2，且将在其中温度为70℃且相对湿度为90％的环境下将所述催化剂电极层进一步保持1小时之后所述催化剂电极层的重量设为Q3时，所述吸水率满足如下关系：
吸水率＝(Q3-Q1)/Q1×100-(Q2-Q1)/Q1×100。
2.根据权利要求1所述的催化剂电极层，其特征在于包含：
催化剂金属；
负载所述催化剂金属的催化剂载体；以及
离聚物，其中所述吸水率根据所述离聚物的种类、所述离聚物在所述催化剂电极层中的重量百分比、所述催化剂载体的种类、所述催化剂载体在所述催化剂电极层中的重量百分比以及所述催化剂电极层的结构而变化。
3.一种膜-电极组件，其特征在于包含：
电解质膜；和
根据权利要求1所述的催化剂电极层，所述催化剂电极层设置在所述电解质膜的至少一个表面上。
4.一种燃料电池，其特征在于包含：
根据权利要求3所述的膜-电极组件。
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