[發明專利]催化劑以及使用該催化劑的電極催化劑層、膜電極接合體及燃料電池

在審

• 申請號: 201480022907.6
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN105142784A
• 公開（公告）日: 2015-12-09
• 發明（設計）人: 真塩徹也;古谷佳久;秋月健;大間敦史
• 申請（專利權）人: 日產自動車株式會社
• 主分類號: B01J35/10
• 分類號: B01J35/10;B01J23/42;H01M4/86;H01M4/90;H01M4/92;H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 張勁松

技術領域

本發明涉及催化劑、特別是燃料電池(PEFC)所使用的電極催化劑、以及使用該催化劑的電極催化劑層、膜電極接合體及燃料電池。

背景技術

使用質子傳導性固體高分子膜的固體高分子型燃料電池與例如固體氧化物型燃料電池或熔融碳酸鹽型燃料電池等其他型式的燃料電池相比，在低溫下進行工作。因此，期待固體高分子型燃料電池作為固定用電源、或汽車等移動體用動力源，其實際應用也正在開始。

作為這種固體高分子型燃料電池，通常使用以Pt(鉑)或Pt合金為代表的昂貴的金屬催化劑，成為這種燃料電池的價格高的主要原因。因此，要求開發降低貴金屬催化劑的使用量，且可實現燃料電池的低成本化的技術。

例如，專利文獻1中公開有在導電性載體上擔載金屬催化劑粒子的電極催化劑，其中，金屬催化劑粒子的平均粒徑比導電性載體的微細孔的平均孔徑大。專利文獻1記載的是如下內容，即，通過該結構，金屬催化劑粒子不能夠進入載體的微細孔內，能夠提高三相界面所使用的金屬催化劑粒子的比例，從而提高昂貴的貴金屬的利用效率。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：(日本)特開2007－250274號公報(美國專利申請公開第2009/0047559號說明書)

但是，專利文獻1的催化劑具有電解質和金屬催化劑粒子進行接觸，而催化活性下降之類的問題。另一方面，當以電解質和金屬催化劑粒子不接觸的方式使金屬催化劑擔載于載體內部的電解質不能進入的微細空穴內時，氧等氣體的輸送距離就會增大，氣體輸送性下降，所以具有如下之類的問題：不會體現充分的催化活性，在高負荷條件下，導致催化劑性能下降。

發明內容

因此，本發明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于，提供一種催化活性和氣體輸送性均優異的催化劑。

本發明的另一目的在于，提供一種發電性能優異的電極催化劑層、膜電極接合體及燃料電池。

本發明者等為了解決上述問題，進行了深入研究，研究的結果發現，具有特定的空穴分布的催化劑可解決上述課題，直至完成了本發明。

附圖說明

圖1是表示本發明一實施方式的固體高分子型燃料電池的基本結構的概略剖面圖；

圖2是表示本發明一實施方式的催化劑的形狀、構造的概略剖面說明圖；

圖3是表示本發明一實施方式的催化劑層的催化劑及電解質之間的關系的示意圖；

圖4是表示比較例1～3的比較催化劑F～H的空穴分布的圖。

符號說明

1固體高分子型燃料電池(PEFC)

2固體高分子電解質膜

3催化劑層

3a陽極催化劑層

3c陰極催化劑層

4a陽極氣體擴散層

4c陰極氣體擴散層

5隔板

5a陽極隔板

5c陰極隔板

6a陽極氣體流路

6c陰極氣體流路

7制冷劑流路

10膜電極接合體(MEA)

20催化劑

22金屬催化劑

23載體

24細小孔

25微小孔

26電解質

具體實施方式

本發明的催化劑(在本說明書中，也稱為“電極催化劑”)由催化劑載體及擔載于上述催化劑載體的金屬催化劑構成。這里，催化劑滿足下述結構(a)～(c)：

(a)上述催化劑具有半徑不足1nm的空穴(一次空穴)及半徑1nm以上的空穴(一次空穴)；

(b)上述半徑不足1nm的空穴的空穴容積為0.3cc/g載體以上；及

(c)上述金屬催化劑擔載于上述半徑1nm以上的空穴的內部。

另外，本發明的催化劑由催化劑載體及擔載于上述催化劑載體的金屬催化劑構成。

這里，催化劑滿足下述結構(a)、(d)及(c)：

(a)上述催化劑具有半徑不足1nm的空穴及半徑1nm以上的空穴；

(d)上述半徑不足1nm的空穴的空穴分布的模型半徑為0.3nm以上且不足1nm；及

(c)上述金屬催化劑擔載于上述半徑1nm以上的空穴的內部。