[发明专利]用于燃料电池电极的催化剂，制造用于燃料电池电极的催化剂的方法，膜电极组件和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池电极的、具有碳载体的催化剂，制造用于燃料电池电极的催化剂的方法，膜电极组件和燃料电池。

背景技术

燃料电池包括膜电极组件、位于所述膜电极组件一个外侧上的燃料供应器件和位于所述膜电极组件另一个外侧上并供应氧化剂的氧化剂供应器件。所述膜电极组件包括具有离子传导性的电解质组分膜、位于所述电解质组分膜两侧的催化剂层和位于所述催化剂层外侧的气体扩散层。为了提高燃料电池的功率输出，需要使碳载体(其为电子导体)、增强燃料与氧化剂反应性的催化剂组分、以及电解质组分(其为离子导体)这三者(被称为三相边界)彼此紧密接触。

但是，取决于不同情况，在用于燃料电池电极的催化剂中所用的碳载体有时易于附聚。因此，在使碳载体、催化剂组分、电解质组分这三者彼此紧密接触时存在着限制。因而存在着三相边界没有充分形成的情况。

特别地，近年来已作为碳材料开发的碳纳米管(非专利文献1)易于附聚。碳纳米管趋向于具有管束结构，在这种结构中，大量的管集束在一起，并且不溶于溶剂。因此，当使用碳纳米管作为用于燃料电池电极的碳载体时，碳纳米管的分散度低，碳纳米管易于保持附聚，并且催化剂组分和电解质组分难以存在于碳纳米管的表面上。因此，在使碳纳米管、催化剂组分、电解质组分这三者彼此紧密接触时存在着限制。因而不能充分形成三相边界，并且在提高燃料电池性能方面存在着限制。

在这些情况下，专利文献1公开了一种用于燃料电池的电极，其中通 过用硝酸或硝酸与硫酸的组合处理碳纳米管而在碳纳米管(下文简称为CNTs)的外表面上引入反应点。这有利于抑制碳纳米管的附聚，并有利于使催化剂组分、碳纳米管和电解质组分这三者彼此紧密接触。

[非专利文献1]S.Iijima，Nature，354，56(1991)

[专利文献1]日本未审专利公开2004-253224

发明内容

本发明的目的是提供用于燃料电池电极的催化剂、制造用于燃料电池电极的催化剂的方法、膜电极组件和燃料电池，它们有利于抑制碳载体(例如碳纳米管)的附聚，并通过提高碳载体(例如碳纳米管)与电解质组分之间的亲和性有利于使碳载体(例如碳纳米管)、催化剂组分和电解质组分这三者彼此紧密接触。

根据本发明第一方面的用于燃料电池电极的催化剂特征在于包含具有π共轭系统的碳载体、具有芳环的电解质组分和催化剂组分。

根据本发明第二方面的制造用于燃料电池电极的催化剂的方法特征在于使具有π共轭系统的碳载体、具有芳环的电解质组分和催化剂组分在溶剂中接触，从而用所述电解质组分将所述碳载体改性，并将所述催化剂组分负载在所述碳载体上。

根据本发明第三方面的制造用于燃料电池电极的催化剂的方法特征在于包括：加载步骤，即，使具有π共轭系统的碳载体与催化剂组分在含分散剂的溶剂中接触，从而将催化剂组分负载在碳载体上；和改性步骤，即，使所述负载了催化剂组分的碳载体与具有芳环的电解质组分接触，从而用该电解质组分将碳载体改性。

[发明的优势]

根据第一方面的用于燃料电池电极的催化剂，碳载体具有π电子。由于碳载体的π电子和电解质组分芳环的π电子的亲和性，即，由于π-π堆叠，碳载体和电解质组分可彼此靠近，具有良好的亲和性。因此，电解质组分将存在于碳载体之间。碳载体的附聚因而被抑制。结果，催化剂组分 和电解质组分将存在于碳载体附近。这有利于使碳载体、催化剂组分、电解质组分这三者彼此紧密接触。从而令人满意地形成三相边界，这有利于提高燃料电池催化剂层发电反应的效率。

根据第二方面的制造用于燃料电池电极的催化剂的方法，使具有π共轭系统的碳载体、具有芳环的电解质组分和催化剂组分在溶剂中互相接触，从而用所述电解质组分将所述碳载体改性，并将所述催化剂组分负载在所述碳载体上。在这种情况下，由于碳载体的π电子和电解质组分芳环的π电子的亲和性，即，由于π-π堆叠，碳载体和电解质组分可彼此靠近，具有良好的亲和性。因此，所述电解质组分可用作使碳载体分散的分散剂。因此，电解质组分将存在于碳载体之间。碳载体的附聚因而被抑制。这有利于使碳载体、催化剂组分、电解质组分这三者彼此紧密接触。从而令人满意地形成了三相边界，这有利于提高燃料电池催化剂层发电反应的效率。

此外，根据第二方面的制造方法，由于在制备催化剂的过程中形成了三相边界，因此可以简化工艺，降低成本。