[发明专利]用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂和使用所述催化剂的直接型燃料电池的阴极和直接型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂和使用所述碳催化剂的用于直接型燃料电池的阴极和直接型燃料电池，并且更具体地涉及即使当发生燃料化合物的穿越(crossover)时，仍能够选择性促进氧还原反应的碳催化剂。

背景技术

直接型燃料电池(DFC)已知是众多燃料电池类型中的一种。例如，利用甲醇作为燃料化合物的直接型甲醇燃料电池(DMFC)具有高能量密度，并且预期作为下一代小型能源。DMFC中的化学反应如下：阳极反应：CH₃OH+H₂O→6H+6e^-+CO₂；阴极反应：1.5O₂+6H+6e^-→3H₂O；和总反应：CH₃OH+1.5O₂→2H₂O+CO₂。

但是，所谓的甲醇穿越(MCO)的现象成为难题，其中供至阳极的甲醇在阳极反应中反应不完全，并且未反应的甲醇穿过质子传导电解质膜而移动至阴极。

通常，铂催化剂被用作用于DMFC的阴极催化剂。铂催化剂不但促进氧还原反应，而且促进甲醇氧化反应。因此，发生穿越的甲醇也造成阴极中的甲醇氧化反应，这明显降低了DMFC的产能性能。

鉴于以上，通常已将铂和仅促进氧还原反应的其他贵金属，例如钯(Pd)和钌(Ru)组合用作阴极催化剂(参见，例如专利文献1和2)。

[专利文献1]JP 2008-135380A

[专利文献2]JP 2004-253385A

发明内容

技术问题

但是，在例如使用贵金属催化剂的现有技术中，存在以下问题：归因于电解反应而在电极表面上产生的氧化物包覆膜和金属溶出导致所得到的电流值逐步下降。还存在例如归因于贵金属的使用的成本上升和有关贵金属沉积量的限制的问题。

还存在用合金催化剂而不使用任何贵金属催化剂的实例。但是，难以充分避免金属溶出的问题，并难以得到充分的氧还原活性。

完成本发明以解决所述问题，本发明的目的是提供用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，即使当燃料化合物，例如甲醇发生穿越时，其能选择性地促进氧还原反应，还提供使用所述碳催化剂的用于直接型燃料电池的阴极和直接型燃料电池。

解决技术问题的技术手段

为了达到该目的，根据本发明的一个实施方案的用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂是用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，其用于直接型燃料电池的阴极，所述碳催化剂在包含用于所述直接型燃料电池的燃料化合物的电解液中表现出氧还原催化活性，并且实质上不显示对所述电解液中的所述燃料化合物的氧化进行催化的活性。根据本发明，提供了用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，即使当发生燃料化合物的穿越时，所述催化剂选择性地促进氧还原反应。

此外，在将所述碳催化剂用于三电极系统的工作电极的线性扫描伏安法中，使用以0.25mol/L的浓度包含所述燃料化合物的氧饱和的电解液，在25℃以1mV/sec的扫描速度进行扫描时的0.7V (vs.NHE)的电势下的还原电流为-0.6mA/cm²或更低。

此外，在将所述碳催化剂用于三电极系统的工作电极且在25℃下进行的循环伏安法中，在使用包含所述燃料化合物的氮饱和的电解液的情况下，在0.6V(vs.NHE)-1.0V(vs.NHE)的电势的范围内，所述碳催化剂可不表现出会对所述碳催化剂的氧还原催化活性产生影响的对于所述燃料化合物的氧化进行催化的活性。

此外，在将所述碳催化剂用于三电极系统的工作电极的线性扫描伏安法中，使用包含所述燃料化合物的氧饱和的电解液，在25℃以1mV/sec的扫描速度进行扫描时的0.7V(vs.NHE)的电势下的还原电流可以基本上不依赖所述电解液中所包含的所述燃料化合物的浓度。

此外，所述燃料化合物可包括醇类。