[发明专利]催化剂及其制造方法以及使用该催化剂的电极催化剂层

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂、特别是燃料电池(PEFC)所使用的电极催化剂、及其制造方法以及使用该催化剂的电极催化剂层。

背景技术

使用质子传导性固体高分子膜的固体高分子型燃料电池与例如固体氧化物型燃料电池或熔融碳酸盐型燃料电池等其他型式的燃料电池相比，在低温下进行工作。因此，期待固体高分子型燃料电池作为固定用电源、或汽车等移动体用动力源，其实际应用也正在开始。

作为这种固体高分子型燃料电池，通常使用以Pt(铂)或Pt合金为代表的昂贵的金属催化剂，成为这种燃料电池的价格高的主要原因。因此，要求开发降低贵金属催化剂的使用量，且可实现燃料电池的低成本化的技术。

例如，专利文献1中公开有在导电性载体上担载金属催化剂粒子的电极催化剂，其中，金属催化剂粒子的平均粒径比导电性载体的微细孔的平均孔径大。通过该结构，催化剂粒子不能够进入载体的微细孔内，能够提高三相界面所使用的催化剂粒子的比例，从而提高昂贵的贵金属的利用效率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2007－250274号公报(美国专利申请公开第2009/0047559号说明书)

但是，专利文献1的催化剂具有在机械应力下金属催化剂粒子脱离，投入的铂的一部分不能有效使用，而催化活性下降之类的问题。

发明内容

因此，本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种具有高的催化活性的催化剂。

本发明的另一目的在于，提供一种发电性能优异的电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池。

本发明者等为了解决上述问题，进行了深入研究，研究的结果发现，通过使特定尺寸的催化剂粒子担载于具有特定的空穴分布的催化剂载体上可解决上述课题，直至完成了本发明。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的固体高分子型燃料电池的基本结构的概略剖面图；

图2是表示本发明一实施方式的催化剂的形状、构造的概略剖面说明图；

图3是表示本发明另一实施方式的催化剂的形状、构造的概略剖面说明图；

图4是表示本发明一实施方式的催化剂层的催化剂及电解质之间的关系的示意图；

图5是表示本发明另一实施方式的催化剂层的催化剂及电解质之间的关系的示意图；

图6是表示实施例4～5及比较例4～5的MEA的氧还原(ORR)活性的图表；

图7是表示实施例6及比较例6的MEA的氧还原(ORR)活性的图表。

符号说明

1固体高分子型燃料电池(PEFC)

2固体高分子电解质膜

3催化剂层

3a阳极催化剂层

3c阴极催化剂层

4a阳极气体扩散层

4c阴极气体扩散层

5隔板

5a阳极隔板

5c阴极隔板

6a阳极气体流路

6c阴极气体流路

7制冷剂流路

10膜电极接合体(MEA)

20催化剂

22金属催化剂

23载体

24细小孔

25微小孔

26电解质

具体实施方式

本发明的催化剂(在本说明书中，也称为“电极催化剂”)由催化剂载体及担载于上述催化剂载体的金属催化剂构成。这里，催化剂满足下述结构(a)～(c)：

(a)上述催化剂载体具有半径不足1nm的空穴(一次空穴)及半径1nm以上的空穴(一次空穴)；

(b)上述半径不足1nm的空穴所形成的表面积为上述半径1nm以上的空穴所形成的表面积以上；及

(c)上述金属催化剂的平均粒径为2.8nm以上。

根据具有上述结构的催化剂，因为将金属催化剂收纳于比较大的空穴内，且防止在比较小的空穴所收纳的金属催化剂的机械应力下的金属催化剂的脱离。其结果，能够提高催化剂的反应活性。此外，在本说明书中，将半径不足1nm的空穴也称为“微小(micro)孔”。另外，在本说明书中，将半径1nm以上的空穴也称为“细小(meso)孔”。