[發(fā)明專利]催化劑、其制造方法、電極材料、燃料電池及碳纖維

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010182827.0
• 申請(qǐng)日: 2005-01-26
• 公開（公告）號(hào): CN101822980A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 太田健一郎;石原顯光;飯生悟史;須藤彰孝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 昭和電工株式會(huì)社
• 主分類號(hào): B01J23/42
• 分類號(hào): B01J23/42;B01J35/06;B01J37/08;H01M4/92;H01M4/96;H01M8/10;D01F9/127
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所 11247
• 代理人: 段承恩;劉瑞東

本申請(qǐng)是于2005年1月26日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?00580003354.0、名稱為“催化劑擔(dān)載體及使用該催化劑擔(dān)載體的燃料電池”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及催化劑擔(dān)載體。更詳細(xì)講，涉及能夠作為燃料電池的電極催化劑使用的、催化劑金屬被擔(dān)載在碳纖維上而形成的催化劑擔(dān)載體，其制造方法以及使用該催化劑擔(dān)載體的燃料電池。

背景技術(shù)

固體高分子型燃料電池，與磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池比較，為緊湊型，并且在室溫下工作就得到高電流密度，因此作為電動(dòng)汽車用、便攜用電源受到注目。另外，在該領(lǐng)域，提出了關(guān)于構(gòu)成構(gòu)件、系統(tǒng)構(gòu)成等的為數(shù)較多的方案。現(xiàn)有的固體高分子型燃料電池的疊層(stack)結(jié)構(gòu)，例如為隔膜/電極(氧極)/電解質(zhì)膜/電極(氫極)/隔膜的三明治結(jié)構(gòu)。作為該燃料電池用電極的要求特性，是防止電極的一氧化碳中毒和提高每單位催化劑金屬量的活性。一直以來，以防止中毒和提高活性為目的，進(jìn)行著作為催化劑使用金屬或合金的嘗試(特開2001-85020號(hào)公報(bào)(US6,689,505))，并指出催化劑的粒徑在幾nm為宜。

另一方面，關(guān)于用于載體的碳，一直使用通常的炭黑那樣的顆粒狀的碳(特開平8-117598號(hào)公報(bào)、特開2003-201417號(hào)公報(bào)(EP1309024)及特開2001-357857號(hào)公報(bào))，但因?yàn)樘碱w粒之間的接觸為點(diǎn)接觸，因此有電阻大、另外透氣性不充分的問題。為了解決這些問題，認(rèn)為將用于載體的碳從顆粒狀的碳變成纖維狀的碳是有效的(特開平7-262997號(hào)公報(bào)、特開2003-317742號(hào)公報(bào)及特開2003-200052號(hào)公報(bào))。

作為碳纖維，已知有氣相生長碳纖維(Vapor?Grown?Carbon?Fiber)、碳納米管、PAN系碳纖維。但是，在迄今為止所發(fā)表的任何報(bào)告中都未公開制作由均勻、高密度地?fù)?dān)載有微細(xì)的催化劑顆粒的碳纖維構(gòu)成的電極的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供：能夠提高每單位催化劑金屬量的活性、降低反應(yīng)電阻、提高輸出功率密度的、適合作為催化劑載體等的氣相碳纖維，在該氣相碳纖維上擔(dān)載有金屬催化劑的催化劑擔(dān)載體，它們的制造方法，以及在燃料電池中使用的用途。

本發(fā)明為以下所示的催化劑擔(dān)載體、其制造方法及其用途。

[1]一種催化劑擔(dān)載體，其特征在于，在通過進(jìn)行粉碎處理使得BET比表面積成為4～100m²/g、縱橫比成為1～200的、平均外徑2～500nm的氣相生長碳纖維上擔(dān)載有促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的催化劑金屬。

[2]如上述1所述的催化劑擔(dān)載體，其中，粉碎后的平均纖維長度相對(duì)于粉碎前的平均纖維長度的比為0.8以下。

[3]如上述1或2所述的催化劑擔(dān)載體，其中，粉碎后的比表面積相對(duì)于粉碎前的比表面積的比為1.1以上。

[4]如上述1～3的任1項(xiàng)所述的催化劑擔(dān)載體，其中，氣相生長碳纖維是含有分支狀氣相生長碳纖維的碳纖維。

[5]如上述1～4的任1項(xiàng)所述的催化劑擔(dān)載體，其中，催化劑金屬為選自鉑、第4周期及第5周期過渡金屬中的至少1種金屬或其合金。

[6]一種催化劑擔(dān)載體的制造方法，其特征在于，將烴熱分解而得到的平均外徑為2～500nm的氣相生長碳纖維、或者該氣相生長碳纖維在惰性氣體氣氛下、在溫度600～1300℃下進(jìn)行了熱處理的氣相生長碳纖維進(jìn)行粉碎，使得BET比表面積達(dá)到4～100m²/g、縱橫比達(dá)到1～200，然后使之擔(dān)載促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的催化劑金屬。

[7]如上述6所述的催化劑擔(dān)載體的制造方法，其中，催化劑金屬的擔(dān)載采用液相還原法來進(jìn)行。

[8]如上述6或7所述的催化劑擔(dān)載體的制造方法，其中，在粉碎氣相生長碳纖維后，在惰性氣體氣氛下、在溫度2000～3000℃下進(jìn)行熱處理。

[9]如上述6或7所述的催化劑擔(dān)載體的制造方法，其中，在粉碎氣相生長碳纖維之前，在惰性氣體氣氛下、在溫度2000～3000℃下進(jìn)行熱處理。

[10]如上述6～9的任1項(xiàng)所述的催化劑擔(dān)載體的制造方法，其中，粉碎是通過利用沖擊力的干式粉碎進(jìn)行的。

[11]如上述10所述的催化劑擔(dān)載體的制造方法，其中，粉碎是在存在5體積％以上的氧濃度的氣氛下進(jìn)行的。

[12]一種催化劑擔(dān)載體，是采用上述6～11的任1項(xiàng)所述的制造方法得到的。

[13]一種電極材料，在導(dǎo)電性基體材料上形成有包含上述1～5和12的任1項(xiàng)所述的催化劑擔(dān)載體的催化劑層。