[發明專利]固體高分子型燃料電池的催化劑載體用碳材料及其制造方法

有效

• 申請號: 201880023295.0
• 申請日: 2018-04-02
• 公開（公告）號: CN110495029B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 飯島孝;多田若菜;正木一嘉
• 申請（專利權）人: 日鐵化學材料株式會社
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/88;H01M8/10
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 陳建全

一種固體高分子型燃料電池的催化劑載體用碳材料，其是具有三維分支的三維樹狀結構的多孔質碳材料，其枝徑為81nm以下，并同時滿足：(A)BET比表面積S_BET為400～1500m²/g；以及(B)在用水銀孔率法測定的水銀壓力P_Hg與水銀吸收量V_Hg的關系中，水銀壓力P_Hg的常用對數LogP_Hg從4.3增加至4.8時測定的水銀吸收量V_Hg的增加量ΔV_Hg：4.3?4.8為0.82～1.50cc/g。另外，還涉及上述這樣的催化劑載體用碳材料的制造方法。

技術領域

本發明涉及固體高分子型燃料電池的催化劑載體用碳材料及其制造方法。

背景技術

近年來，能夠在100℃以下的低溫下工作的固體高分子型燃料電池受到了關注，作為車輛用驅動電源和固定型發電裝置，其開發和實用化得到了發展。而且，一般的固體高分子型燃料電池的基本結構(單電池)具有包含下述部件的結構：夾著質子傳導性的電解質膜而在其兩外側分別配置了作為陽極和陰極的催化劑層的膜電極接合體(MEA：MembraneElectrode Assembly)；夾著該膜電極接合體而分別配置于催化劑層的外側的氣體擴散層；和進而配置于上述這些氣體擴散層的外側的隔膜。固體高分子型燃料電池通常為了實現所需的輸出功率，采用將所需數量的單電池堆疊的結構。

而且，在上述這樣的固體高分子型燃料電池的單電池中，從分別配置于陽極側和陰極側的隔膜的氣體流路，分別向陰極側供給氧、空氣等氧化性氣體，并向陽極側供給氫等燃料。將上述被供給的氧化性氣體和燃料(有時將它們稱作“反應氣體”)分別通過氣體擴散層而供給至催化劑層，利用在陽極的催化劑層發生的化學反應與在陰極的催化劑層發生的化學反應之間的能量差(電位差)而取出功。例如，在使用氫氣作為燃料、使用氧氣作為氧化性氣體的情況下，將在陽極的催化劑層發生的化學反應〔氧化反應：H₂→2H⁺+2e^-(E₀＝0V)〕與在陰極的催化劑層發生的化學反應〔還原反應：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(E₀＝1.23V)〕之間的能量差(電位差)作為功而取出。

這里，關于形成上述催化劑層而引發化學反應的催化劑，從電子傳導性、化學穩定性和電化學穩定性的觀點出發，通常使用多孔質碳材料作為催化劑載體。另外，作為催化劑金屬，主要采用能夠在強酸性環境下使用、并且對氧化反應和還原反應均顯示高的反應活性的鉑或鉑合金。而且，對于催化劑金屬來說，由于一般情況下上述的氧化反應和還原反應是在催化劑金屬上發生，所以為了提高該催化劑金屬的利用率，需要增大單位質量的比表面積。因此，催化劑金屬通常使用數nm左右大小的粒子。

關于負載上述這樣的催化劑金屬的催化劑載體，為了提高作為載體的負載能力(即，為了增多用于吸附并負載上述的數nm左右的催化劑金屬的位點)，比表面積大的多孔質碳材料是重要的。同時，為了盡可能以高分散狀態負載上述的催化劑金屬，還要求是具有大的介孔容積(細孔直徑為2～50nm的介孔的容積)的多孔質碳材料。同時，在形成了作為陽極和陰極的催化劑層時，要求可以使供給至該催化劑層中的反應氣體無阻力地擴散、而且使該催化劑層中生成的水(生成水)無延遲地排出。為此，在該催化劑層中形成適合于反應氣體的擴散和生成水的排出的微細孔是重要的。

因此，以往，作為具有比較大的比表面積和介孔容積、同時具有枝立體地發達(發展)而成的樹狀結構的多孔質碳材料，使用例如CABOT公司制的VULCAN XC-72、LION公司制的EC600JD和LION公司制的EC300。另外，作為催化劑載體用碳材料，也在嘗試進行開發具有更適合的比表面積和介孔容積、并且具有更適合的樹狀結構的多孔質碳材料。近年來，作為開始特別關注的多孔質碳材料，有下述的碳材料：具有三維分支的三維樹狀結構的乙炔銀等金屬乙炔化物被制造作為中間體，維持了該三維樹狀結構的樹狀碳納米結構體。關于維持了三維樹狀結構的樹狀碳納米結構體，迄今為止也提出了幾個方案。