[發明專利]催化劑用碳粉末以及使用該催化劑用碳粉末的催化劑、電極催化劑層、膜電極接合體和燃料電池

有效

• 申請號: 201480054145.8
• 申請日: 2014-09-09
• 公開（公告）號: CN105594033B
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發明（設計）人: 高橋真一;大間敦史;真鹽徹也;秋月健
• 申請（專利權）人: 日產自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/92;C01B32/05
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙)11277
• 代理人: 劉新宇,李茂家

技術領域

本發明涉及催化劑用碳粉末、特別是燃料電池中使用的催化劑用碳粉末、以及使用該催化劑用碳粉末的催化劑、電極催化劑層、膜電極接合體和燃料電池。

背景技術

與例如固體氧化物型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池等其它類型的燃料電池相比，使用質子導電性固體高分子膜的固體高分子型燃料電池(PEFC)在較低溫度下工作。因此，固體高分子型燃料電池作為固定用電源、汽車等的移動體用動力源受到期待，也已經開始其實用。

這種固體高分子型燃料電池中通常使用以Pt(鉑)、Pt合金為代表的昂貴的金屬催化劑。另外，作為負載金屬催化劑的載體，從拒水性和耐腐蝕性的觀點出發，使用了石墨化碳。例如，專利文獻1中記載了使用[002]面的平均晶面間距d₀₀₂為0.338～0.355nm、比表面積為80～250m²/g、堆積密度為0.30～0.45g/ml的載體。專利文獻1中記載了，通過使用該石墨化載體，耐久性優異。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2005-26174號公報

發明內容

發明要解決的問題

然而，專利文獻1中記載的載體雖然載體的耐久性優異，但是由于比表面積小而存在活性經時降低的問題。

因此，本發明是鑒于上述狀況而做出的，目的在于提供能夠維持載體的耐久性且抑制催化劑活性降低的催化劑用碳粉末。

本發明的其它目的在于提供耐久性和發電性能優異的催化劑、電極催化劑層、膜電極接合體和燃料電池。

用于解決問題的方案

本發明人等為了解決上述問題而進行了深入研究，結果發現，通過使用具有特定比表面積和D’/G強度比的催化劑用碳粉末作為載體，能解決上述問題，從而完成了本發明。

附圖說明

圖1為示出本發明的一個實施方式的固體高分子型燃料電池的基本構成的截面示意圖。圖1中，1表示固體高分子型燃料電池(PEFC)；2表示固體高分子電解質膜；3a表示陽極催化劑層；3c表示陰極催化劑層；4a表示陽極氣體擴散層；4c表示陰極氣體擴散層；5a表示陽極隔膜；5c表示陰極隔膜；6a表示陽極氣體流路；6c表示陰極氣體流路；7表示制冷劑流路；且10表示膜電極接合體(MEA)。

圖2為示出本發明的一個實施方式的催化劑的形狀/結構的示意性截面說明圖。圖2中，20表示催化劑；22表示催化劑金屬；23表示載體；24表示介孔；且25表示微孔。

圖3為示出碳粉末為圖2中記載的碳粉末時的催化劑層中的催化劑和電解質的關系作為一例的示意圖。圖3中，22表示催化劑金屬；23表示載體；24表示介孔；25表示微孔；且26表示電解質。

圖4為示出實驗1中由實施例1和2制造的載體A和B以及由比較例3制造的載體E的覆鉑評價結果的圖表。

圖5為示出實驗3中由實施例6制造的MEA(1)和由比較例7制造的MEA(2)的發電性能評價結果的圖表。

具體實施方式

本發明的催化劑用碳粉末(本說明書中也簡稱為“碳粉末”)以碳作為主要成分。此處，“以碳作為主要成分”是指包含僅由碳構成、實質上由碳構成這兩者的概念，也可以包含除碳以外的元素。“實質上由碳構成”是指整體的80重量％以上、優選整體的95重量％以上(上限：不足100重量％)由碳構成。

另外，本發明的催化劑用碳粉末滿足下述特征(a)和(b)：

(a)每單位重量的BET比表面積為900m²/g以上；和

(b)利用拉曼光譜法在1620cm^-1附近測得的D’帶的峰強度(D’強度)相對于在1580cm^-1附近測得的G帶的峰強度(G強度)的比R’(D’/G強度比)為0.6以下。需要說明的是，本說明書中，將利用拉曼光譜法在1580cm^-1附近測得的G帶也簡稱為“G帶”。本說明書中，將利用拉曼光譜法在1620cm^-1附近測得的D’帶也簡稱為“D’帶”。另外，將G帶和D’帶的峰強度也分別稱為“G強度”和“D’強度”。進而，將D’強度相對于G強度的比也簡稱為“R’值”或“D’/G強度比”。具有上述特征的催化劑用碳粉末的比表面積大且成為電化學腐蝕的起點的邊緣量少。因此，通過使用本發明的催化劑用碳粉末作為載體，能夠提供耐久性優異且能維持催化劑活性的催化劑。