[发明专利]燃料电池用催化剂担载体

说明书

本申请是申请号为200580003354.0、发明名称为“催化剂担载体及使用该催化剂担载体的燃料电池”、申请日为2005年1月26日、进入中国国家阶段日期为2006年7月27日的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及催化剂担载体。更详细讲，涉及能够作为燃料电池的电极催化剂使用的、催化剂金属被担载在碳纤维上而形成的催化剂担载体，其制造方法以及使用该催化剂担载体的燃料电池。

背景技术

固体高分子型燃料电池，与磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池比较，为紧凑型，并且在室温下工作就得到高电流密度，因此作为电动汽车用、便携用电源受到注目。另外，在该领域，提出了关于构成构件、系统构成等的为数较多的方案。现有的固体高分子型燃料电池的叠层(stack)结构，例如为隔膜/电极(氧极)/电解质膜/电极(氢极)/隔膜的三明治结构。作为该燃料电池用电极的要求特性，是防止电极的一氧化碳中毒和提高每单位催化剂金属量的活性。一直以来，以防止中毒和提高活性为目的，进行着作为催化剂使用金属或合金的尝试(特开2001-85020号公报(US6,689,505))，并指出催化剂的粒径在几nm为宜。

另一方面，关于用于载体的碳，一直使用通常的炭黑那样的颗粒状的碳(特开平8-117598号公报、特开2003-201417号公报(EP1309024)及特开2001-357857号公报)，但因为碳颗粒之间的接触为点接触，因此有电阻大、另外透气性不充分的问题。为了解决这些问题，认为将用于载体的碳从颗粒状的碳变成纤维状的碳是有效的(特开平7-262997号公报、特开2003-317742号公报及特开2003-200052号公报)。

作为碳纤维，已知有气相生长碳纤维(Vapor Grown Carbon Fiber)、碳纳米管、PAN系碳纤维。但是，在迄今为止所发表的任何报告中都未公开制作由均匀、高密度地担载有微细的催化剂颗粒的碳纤维构成的电极的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供：能够提高每单位催化剂金属量的活性、降低反应电阻、提高输出功率密度的、适合作为催化剂载体等的气相碳纤维，在该气相碳纤维上担载有金属催化剂的催化剂担载体，它们的制造方法，以及在燃料电池中使用的用途。

本发明提供一种燃料电池用催化剂担载体，其在中心轴上具有中空结构的多层石墨薄层结构的气相生长碳纤维上担载有促进氧化还原反应的催化剂金属，所述气相生长碳纤维在纤维端部具有有断裂面的石墨薄层的不连续面，和至少1片石墨薄层的端部与附近的石墨薄层的端部结合而成的连续面。

在上述燃料电池用催化剂担载体中，所述气相生长碳纤维的石墨薄层的连续面在圆周方向产生不连续。

进而在上述燃料电池用催化剂担载体中，在所述气相生长碳纤维的一端具有不连续面和连续面。

进而在上述燃料电池用催化剂担载体中，在所述气相生长碳纤维的两端具有不连续面和连续面。

进而在上述燃料电池用催化剂担载体中，在所述气相生长碳纤维的外侧2层的石墨薄层的端部形成遍及全周而结合的连续面，在其他的石墨薄层的端部形成不连续面或者连续面。

进而在上述燃料电池用催化剂担载体中，在所述气相生长碳纤维的外侧2层的石墨薄层的端部形成遍及全周而结合的连续面，在其他的石墨薄层的端部的任一个形成不连续面。

进而在燃料电池用催化剂担载体中，最外层的石墨薄层和从最外层数第4层的石墨薄层，及从最外层数第2层和第3层的相邻的石墨薄层，分别形成在端部遍及全周而结合的连续面，在其他的石墨薄层的端部的任一个形成不连续面。

进而在上述燃料电池用催化剂担载体中，最外层的石墨薄层和从最外层数第6层的石墨薄层，及从最外层数第2层和第5层的石墨薄层，分别形成在端部遍及全周而结合的连续面，在其他的石墨薄层的端部的任一个形成不连续面。

进而在上述燃料电池用催化剂担载体中，所述气相生长碳纤维的一端只形成连续面，另一端具有不连续面和连续面的两方。

进而在上述燃料电池用催化剂担载体中，所述气相生长碳纤维的两端具有连续面和不连续面的两方。

进而在上述燃料电池用催化剂担载体中，所述气相生长碳纤维的平均外径为15-500nm，BET比表面积为4-100m²/g，纵横比为1-200。

另外本发明还提供了以下所示的催化剂担载体、其制造方法及其用途。