[发明专利]具有减少的贵金属量的燃料电池电极触媒与包含它的固体高分子燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及具有减少的贵金属量的燃料电池电极触媒以及包含这种燃料电池电极触媒的固体高分子燃料电池。

背景技术

具有高分子电解质膜的固体高分子燃料电池的尺寸能够容易地得到减小。固体高分子燃料电池因此有望应用到电气车辆等移动车辆以及用于小型废热发电系统的电源。然而，固体高分子燃料电池在相对较低的温度下运行。进一步地，难以有效地将来自其的废热用于附属电力等等。相应地，为了引入实际应用，固体高分子燃料电池需要在包括高阳极反应气体(纯氢等)使用率和高阴极反应气体(空气等)使用率在内的运行条件下提供高发电效率以及高功率密度。

固体高分子燃料电池的阳极与阴极各自的触媒层中的电极反应发生在反应气体、触媒、含氟离子交换树脂同时存在的三相界面(下面称为反应位置)上。因此，各电极中的反应仅仅在三相界面上发生，在三相界面中，可同时互相授受对应于活性物质的气体(氢或氧)、质子(H⁺)以及电子(e^-)。

具有这种功能的电极的实例为含有固体高分子电解质、碳粒子、触媒物质的固体高分子电解质-触媒复合电极。例如，在这种电极中，承载触媒物质的碳粒子与固体高分子电解质混合，使得碳粒子、触媒物质、固体高分子电解质三维分布。另外，在电极内部形成多个细孔，电极因此是多孔的。碳——触媒的载体——形成电子传导通道。固体电解质构成质子传导通道。细孔构成氢、氧或水的供给与排放通道。这三个通道在电极中三维伸展，从而形成不计其数的三相界面，在三相界面中，能同时相互授受气体、质子(H⁺)、电子(e^-)。这提供了电极反应的场所。

因此，对于传统的固体高分子燃料电池来说，例如金属触媒或金属承载触媒(例如，金属承载碳，其包含具有大的比表面积的炭黑载体以及例如由炭黑载体承载的铂等金属触媒)等触媒涂覆有与高分子电解质膜所包含的相同或不同的含氟离子交换树脂。涂覆有含氟离子交换树脂的触媒于是被用作触媒层的组成部分，以便进行所谓的使触媒层中的反应位置三维化的操作。这增多了反应位置的数量，并改进了对应于触媒金属的例如铂等昂贵的贵金属的使用效率。

将燃料电池车辆投入实际应用需要成本的急剧减小。然而，使用传统的燃料电池触媒，由于贵金属的非常高的活性，阳极与阴极中的一个的贵金属量的减小可能不利地急剧减小结果得到的电力。

因此，为了减少触媒量，JP特开(Kokai)No.8-148151A(1996)公开了一种燃料电池电极发明，该电极包含在气体扩散层上形成并含有承载活性金属的触媒粒子的触媒层，其中，触媒层包含不同的被承载活性金属量的触媒粒子的多个层。

因此，用于减少贵金属量的传统技术集中在电极结构的改进上，其中很少考虑电极触媒自身的物理特性。

发明内容

在考虑到传统技术的问题的情况下完成了本发明。本发明的一个目的在于提供这样的一种电极触媒：尽管所使用的触媒金属例如Pt的量减少，其不会减小燃料电池的电力。

通过发现上述目的借助具有特定物理特性的电极触媒来实现，发明人获得了本发明。

首先，本发明提供了一种燃料电池电极触媒，其包含导电性载体和触媒金属粒子，其中，电极触媒的CO吸附量至少为30mL/g·Pt。无论导电性载体承载的触媒金属粒子的形状或条件如何，能够将CO吸附量用作指标适当地对触媒性能进行评价。

可以将多种触媒金属——其各自仅仅包含公知的贵金属或包含含有贵金属与其它元素在内的多种元素——中的任何一种用作用于根据本发明的燃料电池电极触媒的触媒金属。触媒金属的特定优选实例包括选自贵金属、贵金属-稀土、贵金属-过渡金属以及贵金属-过渡金属-稀土的至少一种。特别地，优选实例为铂。

用于根据本发明的燃料电池电极触媒的导电载体可以为用于燃料电池的多种公知的触媒载体中的任何一种。特别地，导电性载体的优选实例是多种碳粉或多孔碳材料中的任何一种。用于根据本发明的燃料电池电极触媒的导电载体优选为具有至少650m²/g的比表面积，特别优选为至少800m²/g。另外，所使用的导电性载体优选为是抗腐蚀的。

通过将电极触媒的CO吸附量设置为至少30mL/g·Pt、更为优选的是至少38mL/g·Pt，可以将每1cm²燃料电池电极的触媒金属量设置为至多0.0001mg。也就是说，昂贵的贵金属的量可得到减小，以便增强燃料电池的实用性。