[发明专利]燃料电池用催化剂的制造方法和燃料电池用催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用催化剂的制造方法和燃料电池用催化剂。

背景技术

以往，为了提高燃料电池的反应速度，提高燃料电池的能量转换效率，在燃料电池的阴极(空气极)表面和/或阳极(燃料极)表面设置了含有催化剂的层(以下也记为「燃料电池用催化剂层」。)。

作为该催化剂，一般使用贵金属，在贵金属中，主要使用在高的电位下稳定、活性高的铂。可是，由于铂价格高，并且资源量受限，因此要求开发可替代的催化剂。

另外，在阴极表面使用的贵金属在酸性气氛下存在溶解的情况，存在不适合于需要长期间的耐久性的用途的问题。因此，强烈要求开发在酸性气氛下不腐蚀、耐久性优异、具有高的氧还原能力的催化剂。

作为代替铂的催化剂，含有碳、氮、硼等非金属的材料作为催化剂在近年受到注目。这些含有非金属的材料，与铂等贵金属比较，价格便宜，并且资源量丰富，因此在大学、研究单位等进行着该催化剂的制造方法的研究。

在非专利文献1中报告了以锆为基础的ZrO_xN化合物显示氧还原能力。

在专利文献1中，作为替代铂的材料，公开了含有选自长周期表4族、5族和14族的元素群中的一种以上元素的氮化物的氧还原电极材料。

可是，这些含有非金属的材料存在作为催化剂在实用上得不到充分的氧还原能力的问题。

另外，在专利文献2中公开了将碳化物、氧化物、氮化物混合，在真空、惰性或非氧化性气氛下在500～1500℃进行加热而成的碳氮氧化物。

可是，在专利文献2中所公开的碳氮氧化物是薄膜磁头陶瓷基板材料，没有研讨将该碳氮氧化物作为催化剂使用的情况。

另外，虽然铂不仅作为上述燃料电池用的催化剂，而且作为排气处理用催化剂或有机合成用催化剂也有用，但由于铂价格高且资源量受限，因此要求开发即使在这些用途中也能够对其进行替代的催化剂。

在专利文献3中公开了一种催化剂材料的制造方法，其包括：形成金属氧化物的非晶质材料的步骤和通过加热来进行的金属氧化物的结晶化步骤。可是，专利文献3所公开的金属氧化物，是作为能够在UV非照射下将有害污染物质氧化的材料来公开的，未研究作为燃料电池用催化剂的材料。

专利文献1：特开2007-31781号公报

专利文献2：特开2003-342058号公报

专利文献3：特开2008-504957号公报

非专利文献1：S.Doi，A.Ishihara，S.Mitsushima，N.kamiya，and K.Ota，Journal of The Electrochemical Society，154(3)B362-B369(2007)

发明内容

本发明的目的在于提供高活性的燃料电池用催化剂的制造方法。

本发明者们发现，使用过渡金属的碳氮化物作为原料，通过包括特定的2个加热工序的制造方法得到的燃料电池用催化剂，具有更高的氧还原能力，从而完成了本发明。

本发明涉及例如以下的(1)～(10)。

(1)一种燃料电池用催化剂的制造方法，其特征在于，包括：将过渡金属的碳氮化物在含氧的惰性气体中加热的工序(I)；和将在该工序(I)中得到的生成物在实质上不含氧的惰性气体中加热的工序(II)。

(2)根据上述(1)所述的燃料电池用催化剂的制造方法，其特征在于，上述工序(I)中的加热温度为400～1200℃的范围。

(3)根据上述(1)或者上述(2)所述的燃料电池用催化剂的制造方法，其特征在于，上述工序(II)中的加热温度为800～1400℃的范围。

(4)根据上述(1)～(3)的任一项所述的燃料电池用催化剂的制造方法，其特征在于，上述工序(II)中的加热温度为上述工序(I)中的加热温度以上。

(5)根据上述(1)～(4)的任一项所述的燃料电池用催化剂的制造方法，其特征在于，上述工序(II)中的加热温度与上述工序(I)中的加热温度之差(工序(II)中的加热温度-工序(I)中的加热温度)为1℃以上。

(6)根据上述(1)～(5)的任一项所述的燃料电池用催化剂的制造方法，其特征在于，上述工序(I)中的惰性气体中的氧浓度为0.1～10体积％的范围。

(7)根据上述(1)～(6)的任一项所述的燃料电池用催化剂的制造方法，其特征在于，上述工序(I)中的惰性气体含有4体积％以下的浓度的氢。

(8)根据上述(1)～(7)的任一项所述的燃料电池用催化剂的制造方法，其特征在于，上述工序(II)中的惰性气体中的氧浓度为10ppm以下。