[发明专利]电极催化剂以及使用该电极催化剂的膜电极接合体及燃料电池

说明书

本发明提供一种能够发挥高活性的催化剂。催化剂是催化剂金属担载于催化剂载体而成的电极催化剂，其中，所述催化剂金属含有铂及铂以外的金属成分，具有半径为1nm以上且细小孔的空穴分布的模半径为1nm以上且小于2.5nm的细小孔，在所述细小孔内担载有铂及铂以外的金属成分的合金微粒，担载于细小孔内的合金微粒中的铂相对于铂以外的金属成分的含有摩尔比为1.0～10.0。

技术领域

本发明涉及电极催化剂以及使用该电极催化剂的膜电极接合体及燃料电池。

背景技术

近年来，与以能源·环保问题为背景的社会需求及动向相呼应，在常温下也能工作并可得到高输出密度的燃料电池作为电动汽车用电源或定置型电源备受注目。燃料电池是电极反应的生成物在原理上为水，且几乎不对地球环境造成不良影响的清洁型发电系统。特别是固体高分子型燃料电池(PEFC)在较低温下工作，故而期待作为电动汽车用电源。

固体高分子型燃料电池的结构通常成为由隔膜夹持电解质膜－电极接合体(MEA)而成的构造。电解质膜－电极接合体是由一对电极催化剂层及气体扩散性电极(气体扩散层；GDL)夹持高分子电解质膜而构成的。

在具有如上所述的电解质膜－电极接合体的固体高分子型燃料电池中，在夹持固体高分子电解质膜的两个电极(阴极及阳极)中，根据其极性，进行下述的反应式所示的电极反应，得到电能。首先，供给到阳极(负极)侧的燃料气体所含的氢通过催化剂成分而被氧化，成为质子及电子(2H₂→4H⁺+4e^－：反应1)。接着，生成的质子穿过电极催化剂层所含的固体高分子电解质，进而穿过与电极催化剂层接触的固体高分子电解质膜，到达阴极(正极)侧电极催化剂层。另外，在阳极侧电极催化剂层生成的电子穿过构成电极催化剂层的导电性载体，进而穿过与电极催化剂层的不同于固体高分子电解质膜的一侧接触的气体扩散层、隔膜及外部电路，到达阴极侧电极催化剂层。然后，到达了阴极侧电极催化剂层的质子及电子与供给到阴极侧的氧化剂气体所含的氧发生反应，生成水(O₂+4H⁺+4e^－→2H₂O：反应2)。在燃料电池中，通过上述的电化学反应，能够将电能取出到外部。

这里，为了提高发电性能，重要的环节是提高电极催化剂层中的电极催化剂的活性。以往，从活性的观点来看，铂大多用作电极催化剂的催化剂金属。但是，由于铂非常昂贵，且是资源稀少的金属，因此正在寻求既维持活性又降低了催化剂颗粒中的铂含量的铂合金系催化剂的开发。

作为这种铂合金系催化剂，国际公开第2014/060646号公开的是半径1～10nm的细小孔的空穴分布的模半径为2.5～10nm，且在细小孔内担载有合金微粒的催化剂。

发明内容

在国际公开第2014/060646号的铂合金系催化剂中，尚有进一步提高活性的余地。因此，本发明的目的在于提供一种能够发挥高活性的电极催化剂。

本发明的另一目的在于提供一种使用本发明的电极催化剂的电解质膜－电极接合体及燃料电池。

本发明者们为了解决上述问题，进行了锐意研究。其结果发现，在电极催化剂的细小孔的空穴分布的模半径小于2.5nm，且存在于细小孔内部的催化剂金属颗粒中，通过将铂以外的金属成分的含量设为特定的范围，能够解决上述课题。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的电极催化剂的形状·构造的概略剖面说明图，在图1中，20表示电极催化剂，22表示催化剂金属，23表示催化剂载体，24表示细小孔；