[發(fā)明專利]用于固體高分子型燃料電池的催化劑及其制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201780058221.6
• 申請(qǐng)日: 2017-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN109792059B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 橋本渡;生井龍紀(jì);石田稔;中島仁;岡谷一輝;海江田武;松谷耕一
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 田中貴金屬工業(yè)株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01M4/92
• 分類號(hào): H01M4/92;H01M8/1007
• 代理公司: 中原信達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11219
• 代理人: 魯雯雯;金龍河

本發(fā)明涉及一種用于固體高分子型燃料電池的催化劑，其是在碳粉末載體上負(fù)載鉑、鈷、鋯作為催化金屬而成的用于固體高分子型燃料電池的催化劑，其特征在于，上述碳粉末載體上的鉑、鈷、鋯的負(fù)載量的比率以摩爾比計(jì)為Pt∶Co∶Zr＝3∶0.5～1.5∶0.1～3.0。在本發(fā)明中，優(yōu)選在催化劑粒子的X射線衍射圖中觀察到的Pt₃Co的峰位置為2θ＝41.10°以上且42.00°以下、催化金屬中發(fā)生了適度的合金化的催化劑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于固體高分子型燃料電池的催化劑。特別是涉及在固體高分子型燃料電池的陰極(空氣極)中使用的有用的催化劑。

背景技術(shù)

曾經(jīng)被稱為下一代發(fā)電系統(tǒng)的燃料電池，為了滿足這樣的期待，實(shí)用化已成為現(xiàn)實(shí)，期待其普及。燃料電池有幾種形式，其中尤其是固體高分子型燃料電池具有工作溫度較低、并且能夠小型輕量化這樣的優(yōu)點(diǎn)。并且，由于這些優(yōu)點(diǎn)，固體高分子型燃料電池有望作為汽車用電源、家庭用電源，已發(fā)展至實(shí)用階段。

固體高分子型燃料電池具有利用氫極和空氣極夾持固體高分子電解質(zhì)膜的層疊結(jié)構(gòu)。而且，分別地向氫極供給含有氫的燃料、向空氣極供給氧或空氣，通過在各電極中發(fā)生的氧化、還原反應(yīng)而獲取電力。固體高分子型燃料電池的氫極和空氣極通常應(yīng)用用于促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑與固體電解質(zhì)的混合體。作為該電極催化劑，以往以來(lái)廣泛使用負(fù)載有作為催化金屬的貴金屬、特別是催化活性高的鉑的鉑催化劑。

近年來(lái)，為了減少催化劑的鉑使用量而實(shí)現(xiàn)催化劑成本的降低，針對(duì)負(fù)載鉑和除鉑以外的金屬并將它們的合金作為催化金屬的研究例日益增加。作為以該鉑合金作為催化金屬的催化劑特別有用的是以鉑與鈷的合金作為催化金屬的Pt-Co催化劑。這是因?yàn)椋揚(yáng)t-Co催化劑在減少鉑使用量的同時(shí)可發(fā)揮鉑催化劑以上的活性。此外還報(bào)道了，為了進(jìn)一步改良Pt-Co催化劑的特性而在鈷的基礎(chǔ)上將第三合金元素合金化而得到的三元系合金催化劑(專利文獻(xiàn)1～3)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2011-150867號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開2009-21208號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)3：日本專利第5152942號(hào)說(shuō)明書

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明所要解決的問題

為了促進(jìn)固體高分子型燃料電池的實(shí)用化，對(duì)于其電極催化劑期望初期活性高。另外，除了初期活性以外，還要求耐久性、即催化活性的持續(xù)性的提高。催化劑難以避免隨著時(shí)間推移而發(fā)生活性降低(失活)本身，但是，延長(zhǎng)能夠維持活性的時(shí)間在固體高分子型燃料電池的運(yùn)用上是特別重要的特性。對(duì)于上述現(xiàn)有的三元系合金催化劑而言，對(duì)于這些特性也大致進(jìn)行了研究。

但是，對(duì)于專利文獻(xiàn)1、2記載的催化劑，關(guān)于耐久性的評(píng)價(jià)不充分，與高負(fù)載區(qū)域中的催化活性有關(guān)的見解不足。固體高分子型燃料電池的電極催化劑在強(qiáng)的酸性氣氛以及水蒸氣氣氛下、承受高電位負(fù)荷的嚴(yán)酷環(huán)境下被使用。專利文獻(xiàn)1、2記載的催化劑針對(duì)比較溫和的區(qū)域中的催化活性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用于固體高分子型燃料電池時(shí)的有用性還不清楚。另一方面，專利文獻(xiàn)3記載的催化劑是本申請(qǐng)發(fā)明人的專利，對(duì)廣范圍的電位區(qū)域中的催化活性和耐久性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其中提供了適當(dāng)構(gòu)成的催化劑。但是，為了應(yīng)對(duì)今后升級(jí)的針對(duì)初期活性、耐久性的要求，該催化劑也需要進(jìn)一步改良。

因此，本發(fā)明提供針對(duì)負(fù)載有在鉑、鈷的基礎(chǔ)上添加第三金屬并合金化的催化金屬的用于固體高分子型燃料電池的催化劑進(jìn)一步改善了初期活性和耐久性的催化劑及其制造方法。

用于解決問題的方法