[发明专利]介孔碳及其制造方法、以及固体高分子燃料电池

说明书

本发明提供一种介孔碳，具有一次粒子连接而成的串珠结构，该一次粒子具有介孔，平均一次粒径为7nm以上且300nm以下，孔径为2nm以上且10nm以下，孔壁的平均厚度为3nm以上且15nm以下，孔容为0.2mL/g以上且3.0mL/g以下，振实密度为0.03g/cm³以上且0.3g/cm³以下。本发明还提供一种固体高分子燃料电池，至少使用本发明涉及的介孔碳来作为空气电极催化剂层的催化剂载体。这样的介孔碳可以通过使碳源对满足规定条件的介孔二氧化硅进行含浸、聚合及碳化并除去模板而得到。

技术领域

本发明涉及介孔碳及其制造方法、以及固体高分子燃料电池，更详细地说，涉及具有串珠结构且平均一次粒径、平均孔径、孔壁的平均厚度、孔容和振实密度在规定范围内的介孔碳及其制造方法，以及将其用于催化剂载体的固体高分子燃料电池。

背景技术

固体高分子燃料电池具备在电解质膜的两面接合了包含催化剂的电极而成的膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly,MEA)。电极通常选择包含催化剂的催化剂层和扩散层的二层结构。在MEA的两面可以进一步配置具有气体流路的集电体(间隔件)。固体高分子燃料电池通常具备多个由这样的MEA和集电体构成的单电池单元进行层叠而成的结构(燃料电池堆栈)。

在固体高分子燃料电池中，催化剂层一般由在载体表面担载有铂等催化剂金属微粒的电极催化剂与催化剂层离聚物的混合物构成。在催化剂载体中，通常可以使用炭黑、乙炔黑等碳材料。进而，已知催化剂载体中使用的碳材料的孔径、比表面积等会对燃料电池的特性产生影响。因此，至今已提出了各种各样的关于控制孔径、比表面积等的碳材料的方案。

例如，在日本专利第5481748中公开了一种碳纳米结构体的制造方法：

(a)通过使含浸有甲醇的乙炔银在真空电炉中于60～80℃加热12小时以上，从而形成内包了金属银粒子的金属内包树状纳米结构物；

(b)在真空电炉中，对金属内包树状纳米结构物进行160℃～200℃的加热处理。

在日本专利第5481748中记载了：通过这样的方法，可以得到具有碳粒(石墨烯囊泡)被由石墨烯构成的表皮包围的结构的环状体相互结合而构成网络的碳纳米结构体。

在日本专利第6042922、日本特开2016-160251、日本特开2015-078110中公开了一种碳多孔体的制法：

(a)通过在550℃以上且700℃以下加热对苯二甲酸的钙盐，从而形成碳与碳酸钙的复合物；

(b)从复合物中溶解除去碳酸钙。

同一文献中，记载了：通过这样的方法，可以得到使气体压力在规定范围变化时气体的吸脱附量大的碳多孔体。

在日本特开2018-181838中，公开了将市售的介孔碳(东洋炭素株式会社制、CNovel、平均粒径4μm)进行粉碎的碳载体的制造方法。同一文献中，记载了：通过这样的方法，可以得到介孔的模半径为3.3～4.8nm、介孔的孔容为1.4～1.8cm³/g、平均粒径为190～470nm的碳载体。

在日本专利第4471174中，公开了一种介孔性碳体的制造方法：

(a)使由菲、对甲苯磺酸和丙酮构成的前体混合物含浸在介孔二氧化硅(SBA-15)中；

(b)将包含前体混合物的SBA-15在200℃进行热处理；

(c)通过将热处理过的复合物在900℃的温度进行加热，使菲石墨化；

(d)从石墨化处理后的复合物中除去SBA-15。