[发明专利]燃料电池用电极催化剂、及使催化剂活化的方法

说明书

本发明所要解决的技术问题是提供作为燃料电池来评价时也能够实现从通过旋转圆盘电极(RDE)得到的催化活性值所期待的催化活性的核壳催化剂、以及使该核壳催化剂如此活化的方法。并且本发明涉及一种燃料电池用催化剂，其是具有核壳结构的电极催化剂，其核构材的99％以上被壳构材所覆盖，且卤素含量在5000ppm以下。另外，发明还涉及一种使该核壳催化剂活化的方法，包括将核壳催化剂分散于分散溶剂中的工序，将具有还原能力的气体或者含有该气体的混合气体吹入该分散溶剂中、从该核壳催化剂中分离杂质的工序，以及去除该杂质的工序。

本申请是国际申请号为PCT/JP2014/062510、国际申请日为2014年5月9日的PCT国际申请进入中国阶段后国家申请号为201480026192.1的标题为“燃料电池用电极催化剂、及使催化剂活化的方法”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及催化剂、特别是燃料电池用催化剂、尤其是固体高分子型燃料电池的阴极侧催化剂，另外，本发明还涉及使催化剂活化的方法。

背景技术

固体高分子型燃料电池具有以下基本构造：选择性地使质子透过的阳离子交换膜、与其两侧相接合的催化剂层、以及在其外侧配置的碳纸等气体扩散层。上述催化剂层主要由以氢气作为活性物质发生反应的阳极和以氧气作为活性物质发生反应的阴极构成。在将氢气和氧气作为活性物质供给至各催化剂层的场合下，在阳极催化剂上发生以下反应：H₂→2H⁺+2e^-(E₀＝0V)，而在阴极催化剂上发生以下反应：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(E₀＝1.23V)，利用其电位差来发电。为了使该发电高效地进行，需要具备用于将作为活性物质的反应气体供给至催化剂层中催化剂的气体移动路径、将在阳极产生的质子和电子输送至阴极的质子传导路径、电子传导路径。通常催化剂层由能够满足上述特性的负载有催化剂金属的具有导电性的碳粒子和高分子电解质材料构成。催化剂粒子间的间隙以及催化剂粒子的细孔起到了气体移动路径的作用，电子传导路径则通过催化剂载体粒子的接触而形成。

在电极催化剂中通常使用负载有铂或铂合金这样的催化剂金属的具有导电性的碳粒子。由于电极催化剂所使用的铂等催化剂金属是非常昂贵的材料，为了促进燃料电池的实用化，以较少的铂用量显示出优异发电性能的燃料电池的开发变得必不可少。

近年来，降低成本被认为是燃料电池实用化的必须条件，而占据其大部分成本的是用于电极催化剂的铂等催化剂金属。

作为提高催化剂金属利用率的方法，例如将铂制成微粒，增加外露表面积。通过减小催化剂金属粒子的粒径，即使催化剂金属的用量相同，也能由于催化剂金属的外露表面积增大而提高催化剂金属的利用率。但是，难以将铂或铂合金这样的催化剂金属以微粒形式分散到碳的表面上，即使实现了微粒化，也会由于其非常容易凝集而使催化剂粒子随燃料电池的运行容易变大。因此，碳粒子所负载的铂粒子的粒径通常大多为3nm左右。

作为燃料电池用电极催化剂，提出了以具有由贵金属或过渡金属构成的核部、在其外周形成的由与该核部组成不同的含贵金属层构成的壳部的核壳结构为特征的电极催化剂。因为核壳型催化剂金属微粒能够仅在其表面(壳)上配置高活性催化剂金属，所以单位重量的高活性催化剂金属的外露表面积大。因此，具有核壳结构的电极催化剂在有助于电极反应的活化的催化剂金属的利用率上性能优异，且能够降低催化剂金属的用量。

核壳催化剂的制造可以利用下述专利文献1等所示的电化学制法来合成。使用这些方法时，能够制造壳的覆盖度高的具有理想核壳结构的材料。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利公开第2012/0245019A1号说明书

发明内容

本发明所要解决的技术问题