[发明专利]燃料电池用催化剂和使用该催化剂的固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用催化剂和使用该催化剂的燃料电池。更详细地讲，涉及固体高分子型燃料电池用催化剂和使用该催化剂的固体高分子型燃料电池，该固体高分子型燃料电池用催化剂的特征在于，包含石墨化了的碳粉和作为活性物质的铌的碳氮氧化物或钛的碳氮氧化物。

背景技术

燃料电池根据电解质的种类或电极的种类被分类为各种类型，作为代表性的类型有碱型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型、固体高分子型。其中，可在低温(-40℃左右)～120℃左右工作的固体高分子型燃料电池受到关注，近年来作为汽车用低公害动力源正进行开发和实用化。作为固体高分子型燃料电池的用途，曾研讨了车辆用驱动源和定置型电源，但为了适用于这些用途，要求长期间的耐久性。

该高分子固体型燃料电池是由阳极和阴极夹持高分子固体电解质，向阳极供给燃料并向阴极供给氧或空气，在阴极氧被还原从而获取电的形式。燃料主要使用氢或甲醇等。

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。但是，由于铂价格高且资源量受限，因此要求开发能够替代它的催化剂。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，并且发电成本低的催化剂。

另一方面，作为担载该催化剂金属的载体，一直以来使用碳。

该碳如果不增大其比表面积则不能够提高催化能力，因此，需要减小碳的粒径。但是，减小碳的粒径存在技术上的极限，尚不能确保充分的催化能力。

另外，碳由于耐热性低，如果在燃料电池中进行反应则碳发生腐蚀消失，因此引起碳所担载的催化剂金属粒子从载体游离，催化剂金属凝聚的现象，其结果，也存在有效面积降低，从而电池能力降低的缺点。

在专利文献1中，对于将特定的碳用于燃料电池用催化剂的载体的情况进行了公开。记载了：将该碳(在该说明书中也记述为「碳粉」)用于铂或铂合金的催化剂担载用载体的燃料电池用催化剂，与使用其他的碳的催化剂相比发电效率上升，寿命也提高。

但是，在专利文献1中作为催化剂金属必须是铂，即使考虑其效果也难以得到令人满意的发电成本。

现有技术文献

专利文献1：国际公开公报WO01/092151小册子

发明内容

本发明以解决这样的现有技术中的问题作为课题。本发明的目的在于，提供一种耐久性优异、能够实现高的催化能力的燃料电池用催化剂和使用该催化剂的固体高分子型燃料电池。

本发明者们专心研讨的结果发现：以包含石墨化了的碳粉、和作为活性物质的铌的碳氮氧化物或钛的碳氮氧化物为特征的固体高分子型燃料电池用催化剂，与现有的固体高分子型燃料电池用催化剂相比，能够成为更高性能并且发电成本低的催化剂，从而完成了本发明。

本发明涉及例如以下的(1)～(11)。

(1)一种固体高分子型燃料电池用催化剂，其特征在于，包含：石墨化了的碳粉、和作为活性物质的铌的碳氮氧化物或钛的碳氮氧化物。

(2)根据(1)所述的固体高分子型燃料电池用催化剂，其特征在于，碳粉是在非氧化性气氛下将炭黑在2500℃以上加热得到的。

(3)根据(2)所述的固体高分子型燃料电池用催化剂，其特征在于，炭黑是选自油炉法炭黑、乙炔黑、热裂法炭黑和槽法炭黑中的至少一种。

(4)根据(2)或(3)所述的固体高分子型燃料电池用催化剂，其特征在于，在炭黑中含有0.01～5质量％的硼。

(5)根据(1)～(4)的任一项所述的固体高分子型燃料电池用催化剂，其特征在于，还含有纤维状碳。

(6)根据(5)所述的固体高分子型燃料电池用催化剂，其特征在于，纤维状碳是气相生长碳纤维。

(7)根据(6)所述的固体高分子型燃料电池用催化剂，其中，气相生长碳纤维是在2500℃以上的温度下进行了石墨化处理的纤维，该纤维中的硼含量为0.01～5质量％。