[发明专利]固体高分子型燃料电池用载体碳材料以及催化剂

说明书

本发明提供能够以高分散状态担载催化剂金属、即使在高加湿条件下的大电流发电时也难以发生淹没现象、且电压降低较少的载体碳材料以及使用该载体碳材料的催化剂。本发明提供固体高分子型燃料电池用载体碳材料以及使用该载体碳材料的催化剂，所述载体碳材料是多孔质碳材料，关于采用BJH解析法由吸附过程的氮吸附等温线求出的细孔容积以及细孔面积，半径2nm～50nm的细孔容积V_A为1ml/g～5ml/g，半径2nm～50nm的细孔面积S_2‑50为300m²/g～1500m²/g，半径5nm～25nm的细孔容积V_5‑25(ml/g)相对于所述细孔容积V_A(ml/g)的比率(V_5‑25/V_A)为0.4～0.7，同时半径2nm～5nm的细孔容积V_2‑5(ml/g)相对于所述细孔容积V_A(ml/g)的比率(V_2‑5/V_A)为0.2～0.5。

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池用载体碳材料以及催化剂，特别地，涉及以大电流进行发电时的输出电压的降低较少的固体高分子型燃料电池用载体碳材料、以及使用该载体碳材料调配而成的催化剂。

背景技术

固体高分子型燃料电池由一种基本结构(单电池：unit cells)构成，该基本结构夹持质子传导性电解质膜而配置成为阳极和阴极的催化剂层，进而在外侧配置气体扩散层，进一步在外侧配置隔板，通常的构成是根据必要的输出功率而将多个单电池连结在一起(堆叠：stack)。

关于这样的固体高分子型燃料电池的发电原理，是从配置于阳极和阴极两端的隔板的气体流路，经由气体扩散层而向阳极侧的催化剂层供给氢等还原性气体，并且经由气体扩散层而向阴极侧的催化剂层供给氧或者空气等氧化性气体，作为这些原料气体，例如在使用氢气和氧气的情况下，通过在阳极侧的催化剂层的催化剂金属上发生的下述反应1(氧化反应)和在阴极侧的催化剂层的催化剂金属上发生的下述反应2(还原反应)，一边生成水分子一边利用这些反应1和反应2之间的能量差(电位差)而进行发电。

H₂→2H⁺+2e^-(E₀＝0V) (反应1)

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(E₀＝1.23V) (反应2)

而且作为固体高分子型燃料电池的特性，在向外部取出电流时，1个指标是维持哪种程度的电压，通常地说，如果取出更高的电流，则电压有更为降低的倾向。

另外，在形成固体高分子型燃料电池的阳极以及阴极的催化剂层的催化剂中，作为催化剂金属，通常使用铂(Pt)或以铂为主成分的铂合金(Pt合金)，另外，为了担载这样的催化剂金属的微粒，并向外部电路取出产生的电流，使用导电性的碳材料作为催化剂载体。

可是，近年来，由于贵金属价格的暴涨，即使在固体高分子型燃料电池的领域，对于如何使催化剂金属长寿命且高效率地反应进行了各种各样的研究，但为此需要提高有助于反应的催化剂金属的每单位重量的表面积，且为此需要使催化剂金属微粒化，同时以高分散状态担载于载体碳材料上。然而，如果使该催化剂金属过于微粒化，则与载体碳材料之间的接触面积减小，在燃料电池工作条件中产生从载体碳表面的脱落、和溶解-析出、凝聚等耐久性方面的问题，结果使表面积减小，从而不能高效率地有助于反应。也就是说，为了催化剂金属的耐久性和高效率的反应，存在适当的尺寸，例如一般认为铂金属的半径优选为1.5nm～5nm，实际上，一般认为理想的是半径为3nm左右。另外，为了使催化剂金属保持上述最合适的尺寸不变而以微粒的状态存在，有必要以催化剂金属彼此之间相互保持一定距离的高分散状态担载在载体碳材料上。而且在使催化剂金属担载于载体碳材料上的催化剂中，为了创造出这样理想的状态，对于载体碳材料，需要具有充分的比表面积。