[发明专利]含铂催化剂和使用该催化剂的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及含铂催化剂和使用该催化剂的燃料电池。

背景技术

由于将化学能转化为电能的燃料电池是高效的并且不释放出环境污染物，所以燃料电池作为便携式信息装置用、家庭用、车辆用等的清洁电源而受到广泛关注，对其的开发也逐步发展。

根据燃料电池中所使用的电解质的种类，燃料电池有多种类型，其中使用有机材料如甲醇等或氢作为燃料的燃料电池尤其受到关注。决定该燃料电池的输出性能的重要构成材料为电解质材料、催化剂材料。通过催化剂膜夹持电解质膜的两侧的膜电极组件(MEA)，是重要的构成要素。作为电解质材料，已经研究了多种类型的材料。例如，一个代表性实例为由全氟磺酸类树脂得到的电解质。此外，作为催化剂材料，已经研究了多种类型的材料。例如，一个代表性实例为PtRu催化剂。除了PtRu催化剂之外，为了得到具有高活性的催化剂，还研究了二元催化剂PtM，其中M为Au、Mo、W等。

在直接甲醇型燃料电池(DMFC)的燃料极中，例如在使用利用了Pt和Ru的二元金属催化剂的情况下，在式(1)所示的脱质子反应中，甲醇被氧化，产生CO并吸附到Pt中，生成Pt-CO。在如式(2)所示的反应中，水被氧化，产生OH并吸附到Ru中，生成Ru-OH。最后，在如式(3)所示的反应中，吸附的CO被Ru-OH氧化，并作为CO₂除去，由此产生电荷。Ru起助催化剂(promoter)的作用。

Pt+CH₃OH→Pt-CO+4H⁺+4e^-         (1)

Ru+H₂O→Ru-OH+H⁺+e^-             (2)

Pt-CO+Ru-OH→Pt+Ru+CO₂+H⁺+e^-    (3)

普遍知道式(1)、(2)和(3)所示的通过一系列反应使甲醇氧化的原理为双官能(bifunctional)机制，其中吸附在Pt上的CO与结合至与Pt邻近的Ru的羟基彼此反应，将CO转化成CO₂，并且由此抑制了由CO引起的催化剂中毒。

除了上述说明之外，已知在Pt被邻近Ru电子影响的条件下，会通过接着式(1)的式(4)所示的反应而引起Pt-CO被水氧化(例如，参见下文所述的非专利文献1)。

Pt-CO+H₂O→Pt+CO₂+2H⁺+2e^-        (4)

对于催化剂的组成的研究非常多。特别地，已经有许多报道涉及对应用于燃料电池的、并含有Pt和Ru的催化剂中的Pt和Ru的摩尔比进行优化的研究(例如，参见下文所述的专利文献1、专利文献2和专利文献3)。

在对于催化剂的结构化学研究中，已经使用了通过X射线吸收谱得到的X射线吸收精细结构(XAFS)(例如，参见下文所述的非专利文献2)。也已经对应用于燃料电池的催化剂进行了结构化学研究。例如，有报道分析了相应于基于X射线吸收精细结构(XAFS)的傅里叶变换以X射线吸收原子为中心的径向分布函数的曲线(例如，参见下文所述的专利文献4和专利文献5)。

进一步地，还已经研究了在铂催化剂中的电子状态，并且对此已经有许多报道。例如，已经进行了求算钯5d轨道等的空穴数等的理论分析和实验(例如，参见下文所述的非专利文献3～非专利文献8)。

引用文献列表

专利文献

专利文献1：日本未审查专利公开JP 2006-190686(段0014)，″Pt/Ru ALLOY CATALYST，METHOD OF MANUFACTURING THE SAME，FUEL CELL-USE ELECTRODE，AND FUEL CELL″

专利文献2：WO 2007-029607(段0049，图3)，″NOBLE METAL MICROPARTICLE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF″

专利文献3：日本未审查专利公开JP 2007-285598(段074，图5)，″DIRECT METHANOL FUEL CELL-USE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME″

专利文献4：日本未审查专利公开JP 2008-171659(段0040)