从丰田专利分析MIRAI二代燃料电池中所用高透氧树脂浆料工艺

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如何从日本丰田公司的专利中能挖掘足够的信息窥探丰田燃料电池催化层的开发工艺思考模式？

第一步：从日本特许厅的网站https://www.j-platpat.inpit.go.jp搜索得到日本丰田的高透氧树脂相关材料。

所设置的搜索条件如下：

汇总pdf文档如下（按时间从近到远），一共累计17篇专利：

序号	出願番号／公开号	出願日	专利名称与研究要点	重要性	官方预览／下载
01	特願2010-283009 JP2012133917A	2010/12/20	カソード側触媒層、膜電極接合体、固体高分子型燃料電池及びその製造方法 HOPI基础 高透氧电解质树脂与低催化剂负载量的配合，是追溯早期技术路线的重要起点。	★★★★★	J-PlatPat 进入后下载 PDF
02	特願2011-163819 JP2013030287A	2011/07/27	燃料電池電極用触媒インク、膜電極接合体、燃料電池 吸附与抗裂 控制单位载体表面积的离聚物吸附量（≥0.1 mg/m²），抑制电极裂纹。	★★★★☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
03	特願2015-201346 JP2017073357A	2015/10/09	燃料電池用触媒層及び燃料電池 材料与耐久 高结晶碳载体与玻璃化转变温度≥160°C的离聚物组合，研究催化层耐久性。	★★★★☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
04	特願2015-240689 JP2016058396A	2015/12/10	燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法、固体高分子形燃料電池、および触媒インクの製造方法 双树脂配方 低透氧树脂与高透氧树脂混合，兼顾氧输运与成膜抗裂；低透氧组分占总树脂2–20 wt%的路线值得重点阅读。	★★★★★	J-PlatPat 进入后下载 PDF
05	特願2016-092492 JP2017201583A	2016/05/02	インク組成物の製造方法 过滤与抑泡 用混有醇的加压气体过滤催化剂墨水，减少过滤过程起泡及后续涂布缺陷。	★★★☆☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
06	特願2016-224289 JP2018081853A	2016/11/17	燃料電池用触媒層 多孔碳与双树脂 结合多孔碳的外表面积，确定低透氧树脂的最低用量，平衡催化活性与抗裂性。	★★★★☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
07	特願2017-237079 JP2019106266A	2017/12/11	燃料電池用電極の製造方法 分步加料 先用低透氧树脂制备第一墨水，再加入高透氧树脂，并以离聚物被覆率校正用量。	★★★★★	J-PlatPat 进入后下载 PDF
08	特願2018-039856 JP2018152333A	2018/03/06	アイオノマコート触媒及びその製造方法、並びに触媒インク 离聚物预包覆 通过干燥、热处理形成离聚物包覆催化剂，再分散以获得低黏度、高固含墨水。	★★★★☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
09	特願2018-072646 JP2019185930A	2018/04/04	燃料電池用膜電極接合体の製造方法 转印与剥离 转印后剥离基材时固定电解质膜，减少催化层裂纹；适合作为MEA制造补充资料。	★★☆☆☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
10	特願2019-124418 JP2021012754A	2019/07/03	燃料電池用電極 HOPI预包覆与双层结构 先形成HOPI包覆层，再配置第二离聚物层，以兼顾不同温湿度下的发电性能。	★★★★★	J-PlatPat 进入后下载 PDF
11	特願2020-048830 JP2021150174A	2020/03/19	燃料電池用触媒インクの製造方法 分散与可用期 先以喷射磨分散载催化剂颗粒，再加入离聚物并剪切，延长墨水可使用时间。	★★★☆☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
12	特願2020-092465 JP2021190227A	2020/05/27	燃料電池用触媒層 离子交换容量匹配 两类树脂的离子交换容量比A/B控制在0.80–1.20，以降低质子传输阻力。	★★★★☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
13	特願2021-141176 JP2023034773A	2021/08/31	燃料電池電極用触媒インクの製造方法 薄膜旋回混合工艺 使用内壁有凹凸结构的高剪切薄膜旋回混合机，处理含凝胶状离聚物的墨水，兼顾分散和黏度调整。	★★★★☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
14	特願2022-114442 JP2024012736A	2022/07/19	触媒 有机氮添加剂 按水／醇溶解度等条件筛选有机氮添加剂，并配合粘结剂／载体比例研究催化性能。	★★★★☆	J-PlatPat 进入后下载 PDF
15	特願2023-093959 JP2024175880A	2023/06/07	燃料電池電極用の触媒インク HOPI与溶剂 采用极性参数≥5.1的溶剂，或此类溶剂占比≥70%的混合溶剂，研究HOPI墨水的抗裂性。	★★★★★	J-PlatPat 进入后下载 PDF
16	特願2024-081009 JP2025174564A 同族：WO2025239304A1	2024/05/17	アイオノマー 含氮化合物改性离聚物 以1,3,5-三嗪、三聚氰胺等修饰离聚物酸性官能团，研究氧输运与电池性能。	★★★★★	J-PlatPat 进入后下载 PDF
17	US 19/531,899 US20260279842A1	2026/02/06	Catalyst layer（催化层） 有机氮＋双离聚物 普通PFSA占总离聚物12.5–20 wt%，配合环状HOPI和有机氮化合物；实际实施例采用三聚氰胺。	★★★★★	USPTO 官方 PDF

专利介绍：

04 特願2015-240689 ⭐⭐⭐⭐⭐

发明单位：丰田，杜邦。

发明作者：相武  将典、Randal Lewis PERRY、Mark Gerrit Roelofs、Robert Clayton Wheland、Ralph Munson Aten

1、核心观点：在保持高氧透过性离聚物（电解质树脂）带来的活性提升同时，抑制电极涂层干燥开裂。

2、技术方法：

2-1、采用“两种电解质树脂”的复配思路：

• 第1电解质树脂：低氧透过型（80 °C、50%RH 下 O₂透过率＜2.2×10⁻¹⁴ mol/(m·s·Pa)）
• 第2电解质树脂：高氧透过型（同条件下 O₂透过率≥2.2×10⁻¹⁴）

2-2、配比窗口：第1/（第1+第2）的质量分数 2–20 wt%。该范围内既能减少干燥开裂，又兼顾发电性能。

2-3、技术关键点：先将“低氧透过型”与催化剂/载体分散成第1触媒墨水，再向其中加入“高氧透过型”形成第2触媒墨水；按此顺序可明显降低开裂。反过来做会更易出现裂纹。第1触媒墨水的做法就是把催化剂/载体（如Pt/C）+ 低氧透过型第1电解质树脂 + 溶媒（水或乙醇等）一起进行分散，随后在第1墨水中加入高透氧的第2树脂再分散，得到“第2触媒墨水”。

2-4、技术原因：高透氧树脂通常含环状骨架、分子链更“刚直”，对碳载体吸附性差，导致干燥过程中碳更易团聚，分子链难以运动、难以彼此缠结，断裂强度低，随着溶剂蒸发，团聚加剧，有限的链缠结部位被拉断 ，形成表面裂纹。之所以加入少量“低透氧树脂”能抑制开裂，是因为低透氧树脂对载体吸附更好，能够抑制碳团聚，链更易缠结，结构断裂强度更高，干燥时不易把已形成的链网“拉断”，结果是分散性↑、链缠结↑、破断强度↑，从而显著降低裂纹发生。其实本质来说，就是因为高分子的主链特征导致的本征特性差异，平衡性能和开裂。

15 特願2023-093959 ⭐⭐⭐⭐

发明单位：丰田。

发明作者：今  美知、高橋  駿介

1、核心观点：使用高透氧树脂时，溶剂体系需为Rohrschneider 极性参数 ≥ 5.1 的极性溶剂，或该类溶剂在混合溶剂中**≥70% 配比。通过降低溶剂与离聚物亲和性→提高离聚物对碳的吸附，进而抗开裂。

2、技术方法：通过公开的溶剂极性指数“P′：Rohrschneider’s polarity parameter”，筛选合适的极性（削弱溶剂对树脂的吸附）

• 水 10.2、DMSO 7.2、乙二醇 6.9、乙腈 5.8、丙酮/甲醇 5.1（均≥5.1）

• 乙醇 4.3、异丙醇 3.9（＜5.1）

2-1、什么样的溶剂极性可以抗开裂？

• 对于单一溶剂来说：单一溶剂：直接选 P′ ≥ 5.1 的（如水、DMSO、乙二醇、乙腈、丙酮、甲醇等）。
• 对于混合溶剂来说：确保P′≥5.1 的那一类极性溶剂在配方中≥70%。

2-2、溶剂组成对树脂吸附量的定量化分析（如上表アーオノマー吸着量），溶剂吸引过来的越少，留在碳上的越多越好。

详情参考⑫特願2011-163819

实验流程：

1. 催化墨水 → 离心

2. 取上清液

3. 用 ¹⁹F NMR 测 ionomer 浓度

4. 已知初始 ionomer 量

5. 差值 = 吸附到 Pt/C 表面的 ionomer

⑫特願2011-163819⭐⭐⭐⭐

发明单位：丰田。

发明作者：雨宮  一樹

1、核心观点：如果 ionomer 没有牢固吸附在颗粒表面，干燥应力无法均匀传递，在颗粒间产生应力集中，就会涂层开裂。把“离聚物在催化剂表面的吸附量（mg/m²）”作为核心控制参数，提高“吸附量”能抑制裂纹。

2、技术方法：控制单位比表面积上的 ionomer 吸附量 ≥ 0.1 mg/m²，主要介绍实验方法