[发明专利]燃料电池催化剂、燃料电池电极以及具有该燃料电池电极的聚合物电解质燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池催化剂、燃料电池电极和具有该燃料电池电极的聚合物电解质燃料电池，所述燃料电池催化剂能够在耐久测试后抑制电压下降。

背景技术

具有聚合物电解质膜的聚合物电解质燃料电池可以很容易地减小尺寸和重量。因此，对于其作为例如电动车辆的移动车辆和小型废热发电系统的电源的实际应用的期望不断增长。

在聚合物电解质燃料电池的阳极和阴极的催化剂层中的电极反应在三相界面处(下面称为反应位置)进行，这里反应气体、催化剂和含氟离子交换树脂(电解质)同时并存。因此，在聚合物电解质燃料电池中，催化剂层通常由催化剂制成(例如负载金属的活性炭，其例如由包括例如活性炭或者炭黑的具有大比表面积的导电碳材料的载体构成，通过所述载体负载例如铂的金属催化剂)。

用作催化剂的贵金属颗粒的分散形式根据载体形式而不同。因此，可以预计，催化剂活性会根据载体形式显著变化。此外，电极特性也根据载体形式不同，所述载体负载构成电极的催化剂。

考虑到上述，为了提供在高分散状态的负载贵金属颗粒的催化剂，该催化剂具有高催化剂活性，日本专利公开(Kokai)No.2000-100448A公开了聚合物电解质燃料电池催化剂的发明，其中，包括碳精细粉末的载体负载贵金属，其中，小于或等于20％的所有孔的直径为60埃。特别是，该文献公开了用作载体的碳精细粉末，其具有200cc/100g至495cc/100g以下的DBP油吸收，和300m²/g至1270m²/g以下的的比表面积。

另外，改善聚合物电解质燃料电池的耐久性是重要技术目标。在日本专利公开(Kokai)No.2000-268828A中，目标是提供一种使用具有优良防水性和抗蚀性的电极的聚合物电解质燃料电池，由此可长时间获得稳定的输出。所述文献公开了包括碳载体的电极催化剂，所述碳载体具有0.337到0.348nm的表面[002]的平均晶格面距离(表示为“d002”)、3到18nm的晶体尺寸(表示为“Lc(002)”)和70到800m²/g的比表面积，在其上负载有铂或铂合金。

发明内容

对于燃料电池车辆的实际应用，提高燃料电池电极催化剂的耐久性是重要的。迄今，已经检测了在这种耐久性上的提高。结果，发现颗粒生长导致的催化剂退化是个问题。

因此，本发明的目标是提供用于燃料电池车辆等的聚合物电解质燃料电池，所述电池在长期使用后不会导致电压降低。

此外，本发明的另一目标是确保在碳载体上有足够的三相界面以提高催化剂效率，在所述三相界面处，汇集有反应气体、催化剂和电解质。因此，电极反应有效地进行，使得可以提高燃料电池的发电效率。并且，本发明的另一目标是提供具有优良特性的电极，以及包括该电极的聚合物电解质燃料电池，该燃料电池能够产生高电池输出。

本发明人集中在催化剂颗粒的初始颗粒直径上。他们发现上述问题可按照如下所述解决。当用作载体的导电碳材料可以具有与催化剂颗粒的初始颗粒直径基本相同(在纳米量级水平)的孔直径时，或者即使当用作载体的导电碳材料的孔直径与催化剂金属(PGM)颗粒的初始颗粒直径不一致时，通过将催化剂金属(PGM)颗粒至少部分地包含在负载所述催化剂颗粒的载体孔中，可抑制催化剂颗粒的颗粒生长(烧结)。这导致了本发明的完成。

具体而言，第一方面，本发明涉及一种燃料电池催化剂，其中催化剂颗粒被负载在载体上。本发明的特征在于平均催化剂载体孔直径/催化剂金属(PGM)颗粒直径的值在0.5到1.8之间。

当平均催化剂载体孔直径/催化剂金属(PGM)颗粒直径的值小于1.8时，催化剂金属颗粒可进入用作载体的导电碳材料中，使得催化剂金属颗粒彼此接触。因此，即使在燃料电池工作耐久测试后，也可抑制根据催化剂颗粒尺寸的颗粒生长(烧结)。

此外，在耐久测试后，当催化剂金属颗粒具有比平均催化剂载体孔直径更大的催化剂金属(PGM)颗粒直径时，在耐久测试中，这样的催化剂金属颗粒在载体上迁移，使得两个或多个催化剂金属颗粒彼此相互接触。在这种情况下，彼此相互接触的金属催化剂颗粒被烧结，导致颗粒生长。根据本发明，平均催化剂载体孔直径/催化剂金属(PGM)颗粒直径的值大于等于0.5。因此，即使在催化剂金属颗粒直径大于平均催化剂载体孔直径的情况下，催化剂金属(PGM)颗粒也至少部分地被包含在载体孔中，使得出现固着效果。此外，即使在燃料电池工作耐久测试之后，通过限制催化剂金属颗粒在载体上的自由迁移，能够抑制在催化剂颗粒直径方面的颗粒生长(烧结)。