[发明专利]燃料电池用电极催化剂的制造方法、燃料电池用电极催化剂和具备该电极催化剂的固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及提高贵金属催化剂的利用效率、提高发电性能的催化剂担载方法、燃料电池阴极用催化剂、其制造方法以及具备该催化剂的固体高分子型燃料电池。

背景技术

具有高分子电解质膜的固体高分子型燃料电池，由于小型轻量化容易，因此期待着作为电动汽车等移动车辆、小型热电联供系统的电源等来实用化。然而，固体高分子型燃料电池的工作温度比较低，其排热难以有效用于辅机动力等，因此为了其实用化，要求在阳极反应气体(纯氢等)的利用率和阴极反应气体(空气等)的利用率高的工作条件下，能够得到高的发电效率和高的输出功率密度的性能。

固体高分子型燃料电池的阴极催化剂层，主要由担载了Pt等活性成分的炭黑粒子等载体和质子传导性电解质构成。从外部供给的氧、从阳极经由电解质膜传导催化剂层中的电解质的质子和从阳极经由外部电路在碳中传导的电子，在Pt等活性成分上发生阴极反应，由此进行发电。这样，固体高分子型燃料电池的阳极和阴极的各催化剂层内的电极反应，在各反应气体、催化剂和含氟的离子交换树脂(电解质)同时存在的三相界面(以下称为反应区域)进行。

在此，担载在炭黑粒子等载体的细孔内部的Pt等活性成分粒子，不能够与电解质充分接触，未充分地发生阴极反应。即，作为载体的炭黑粒子，大多是细孔孔径为5nm以下，Pt等活性成分粒子较多地担载在细孔内部。与此相对，催化剂层中的电解质成分具有平均为5nm以上的尺寸。因此，担载在载体的细孔内部的催化剂金属不能够与电解质充分接触，在载体的细孔内部未充分地生成反应区域，而且招致作为贵金属的Pt的利用率降低。

另外，日本特开2005-190726号公报，以得到长期地显示高的催化活性的载有催化剂的电极为目的，公开了下述发明：一种载有催化剂的电极，含有在导电性载体上担载了含有铂或铂合金的催化剂金属微粒子的电极催化剂、和电解质聚合物，其中，上述电极催化剂为并用了电极催化剂A和电极催化剂B的混合物，所述电极催化剂A是在上述导电性载体的细孔内部没有担载上述催化剂金属微粒子的电极催化剂，所述电极催化剂B是连上述导电性载体的细孔内部也载有上述催化剂金属微粒子的电极催化剂。作为在该导电性载体的细孔内部没有担载上述催化剂金属微粒子的电极催化剂A的制造方法，公开了：向在胶束内部含有催化剂金属离子水溶液的反向胶束溶液中添加催化剂金属离子的不溶化剂，使所形成的催化剂金属担载在导电性载体表面从而得到。

另一方面，在将高分子电解质型燃料电池实用化方面的课题之一是材料成本。解决材料成本问题的手段之一是降低贵金属铂的含量。以往，为了使反应区域量增加、呈现高的发电性能，需要使用大量的铂增加反应氧量。这是铂用量的增量所导致的成本高的原因。

发明内容

然而，日本特开2005-190726号公报所述的载有催化剂的电极，将在导电性载体的细孔内部没有担载催化剂金属微粒子的电极催化剂A、和连导电性载体的细孔内部也载有催化剂金属微粒子的电极催化剂B并用的意思尚不清楚，而且还存在电极催化剂A的制造较复杂的问题。

本发明的目的是提供一种通过采用简单的方法抑制催化剂担载于载体的细孔内部，来提高贵金属催化剂的利用率、使发电性能提高的燃料电池用催化剂的担载方法。

本发明者发现，由于催化剂金属粒子的粒径小于载体的细孔孔径，因此较多的催化剂金属粒子附着在细孔的内部，不参与阴极反应，还发现通过在电极催化剂的制造工序中进行特定的处理，能够抑制催化剂金属担载于载体的细孔内部，可解决上述课题，从而完成了本发明。

即，第1，本发明是一种燃料电池用电极催化剂的制造方法的发明，所述的燃料电池用电极催化剂的制造方法包括：使选自催化剂成分、由导电性粒子形成的载体以及高分子电解质中的一种以上物质浸渍在溶剂中的浸渍工序(工序A)；使该催化剂成分担载在载体上的催化剂担载工序(工序B)；使高分子电解质附着在该载有催化剂的载体上的反应区域生成工序(工序C)，其特征在于，在上述工序A、工序B以及工序C的至少一个工序中照射超声波。照射超声波可在上述各工序的任一个工序或两个以上的工序中进行。通过超声波的照射，能够提高催化剂成分、由导电性粒子形成的载体以及高分子电解质的分散性和可进行微粒子化，参与三相反应的区域增大，由此不参与三相反应的催化剂金属量减少，铂等催化剂金属的利用效率提高，同时发电性能提高。