[发明专利]多孔性催化剂、燃料电池用催化剂层、电极、膜电极组件、及燃料电池以及多孔性催化剂的制备方法

说明书

本发明提供一种催化剂，其在燃料电池的酸性电解质中或高电位下不发生腐蚀，且稳定，不仅在存在于与电解质膜相接的面上的催化剂颗粒上所形成的气相(加湿后的反应气体)、液相的三相界面上，还在存在于远离电解质膜的催化剂层中的催化剂颗粒上所形成的三相界面上，也有效地参与了电极反应，催化剂颗粒的利用效率高，具有高氧还原活性，可得到高特性，且比铂便宜。因而，燃料电池为高特性且具有长寿命，而且比较便宜，经济性优异。本发明提供一种多孔性催化剂，其包含含有钼、硼及下述金属K(选自由钽、锆、铜、铁、钨、钛、钒、钴、锰、铝及镍组成的组中的至少1种金属)的含硫碳氮氧化物。

技术领域

本发明涉及一种多孔性催化剂、燃料电池用催化剂层、电极、膜电极组件、及燃料电池以及多孔性催化剂的制备方法。

背景技术

以下，对燃料电池的例子进行说明。

根据电解质的种类或电极的种类分类成各种类型，作为代表性的类型，有碱性、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型、固体高分子型。其中，可在低温(-40℃左右)～120℃左右运作的固体高分子型燃料电池备受瞩目，近年来，作为汽车的低公害动力源的开发及实用化在不断发展。作为固体高分子型燃料电池的用途，研究有车辆用驱动源或固定型电源，为了适用于这些用途，要求长时间的耐久性。

图9为示出以往的固体高分子型燃料电池的单电池的基本构成的分解截面图。

通过热压分别将在各个炭黑颗粒上担载有贵金属颗粒[主要为铂(Pt)或铂族金属(Ru、Rh、Pd、Os、Ir)]的空气极侧电极催化剂层2及燃料极侧电极催化剂层3密合并接合在片状的固体高分子电解质膜1的两侧的主平面上，构成单电池4(膜/电极组件)。与催化剂层2及催化剂层3相对地，分别配置有具备在碳纸、碳纤维布等上涂布有炭黑与聚四氟乙烯(PTFE)的混合物的构造的空气极侧气体扩散层(未图示)及燃料极侧气体扩散层(未图示)。由此分别构成包含空气极侧电极催化剂层2的空气极及包含燃料极侧电极催化剂层3的燃料极。

这些气体扩散层在分别进行氧化剂气体(例如空气)及氢气、天燃气、城市燃气、甲醇、LPG、丁烷等烃类燃料等燃气的供给及排放的同时，具有作为集电体的功能，并将电流传递至外部。并且，单电池4由夹在由导电且不透气的材料构成的一组隔离膜构成，该隔离膜具有面向单电池的用于流通反应气体的气体流路并在相对的主平面上具备用于流通冷却水的冷却水流路。

作为上述固体高分子电解质膜1，使用有将具有磺酸基的聚苯乙烯类的阳离子交换膜作为阳离子传导膜的膜、氟碳磺酸与聚偏二氟乙烯的混合膜、在氟碳基质上将三氟乙烯接枝化而成的膜、及以全氟磺酸树脂(例如，DuPont公司制造，商品名称Nafion膜)为代表的氟类离子交换树脂膜。这些固体高分子电解质膜1在分子中具有质子交换基团，若使含水量饱和，则电阻率在常温下为20Ωcm以下，作为质子传导电解质发挥功能。

并且，若分别对上述电极6、7供给加湿后的反应气体，则在两电极所具备的担载有铂类贵金属的催化剂层2、3与固体高分子电解质膜1的边界上形成气相(反应气体)、液相(固体高分子电解质膜)、固相(两电极所具有的催化剂)的三相界面，并发生电化学反应，由此产生直流电。

上述电化学反应中，发生了以下反应，在燃料极7侧生成的H⁺离子在固体高分子电解质膜1中向空气极6侧移动，e^-(电子)通过外部的负荷移动至空气极6侧。

燃料极侧：H₂→2H⁺+2e^-

空气极侧：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

另一方面，在空气极6侧，氧化剂气体所含有的氧与从燃料极7侧移动而来的H⁺离子及e^-反应从而生成水。因此，固体高分子型燃料电池由氢与氧产生直流电流，生成水。