[发明专利]氧还原催化剂、氧还原电极以及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及利用碳纳米壁的氧还原催化剂、氧还原电极以及燃料电池。

背景技术

近年来，作为清洁能源资源，燃料电池引人注目。燃料电池中有一些种类，在作为其中之一的固体高分子型燃料电池中，利用担载有铂的碳材料作为电极用的催化剂。例如可以在碳纳米壁中担载铂，将其作为催化剂。另一方面，铂是稀少且高价的物质。因此，利用担载有铂的碳材料作为催化剂的电极的制造成本高。因此，铂的使用成为燃料电池尚未充分普及的原因之一。

作为代替担载有铂的碳材料而可以用于催化剂的物质，提出了掺杂了氮的碳材料(例如，参照非专利文献1或2)。由于氮是可以轻松得到的物质，因此如果将氮用于催化剂用材料，则能够以低价生成用于燃料电池中的催化剂。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1:Kuanping Gong其他4名、“Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Arrays with High Electocatalytic Activity for Oxygen Reduction”、Science vol.323、p.760-764、2009年2月

非专利文献2:Liangti Qu其他3名、“Nitrogen-Doped Graphene as Efficient Metal-Free Electorocatalyst for Ocygen Reduction in Fuel Cells”、ACS Nano.4、2008年

发明内容

发明所要解决的课题

如上所述，在以往方法中，由于在催化剂中使用铂，因此有电极的制造成本增加的问题。

鉴于上述课题，本发明的目的在于，以低价且容易地提供氧还原催化剂、氧还原电极以及燃料电池。

用于解决课题的方法

为了达成上述目的，根据第一发明，可以提供具有掺杂了氮的碳纳米壁的氧还原催化剂。

此外，根据第二发明，可以提供在碳纳米壁中掺杂的氮的量为0.5～20.0at％的氧还原催化剂。

此外，根据第三发明，可以提供掺杂了氮的碳纳米壁的结晶度为0.5～3.5的氧还原催化剂。

此外，根据第四发明，可以提供氧还原电极，其具有气体扩散层和在该气体扩散层上配置的催化剂层，所述催化剂层是由第1～第3中的任一发明提供的氧还原催化剂。

此外，根据第五发明，可以提供氧还原电极，前述气体扩散层为碳基板，前述催化剂层是在由前述碳基板构成的气体扩散层上形成的氧还原催化剂。

此外，根据第六发明，可以提供前述催化剂层为1μm以上的氧还原电极。

此外，根据第七发明，可以提供燃料电池，其具有电解质膜、分别配置于该电解质膜的两侧且由第四～第六中的任一发明提供的氧还原电极、和分别位于该电极的外侧的隔板。

发明的效果

根据本发明，能够以低价提供氧还原催化剂、氧还原电极以及燃料电池。

附图说明

图1是说明在第一实施方式所涉及的氧还原催化剂中利用的碳纳米壁的制造装置构成的概略图。

图2(a)是在硅基板上生成的碳纳米壁的XPS光谱，图2(b)是碳纳米壁的XPS光谱，图2(c)是碳纳米壁片的XPS光谱。

图3是说明燃料电池的概略图。

图4是实施例1所涉及的碳纳米壁的SEM图像。

图5(a)是实施例1所涉及的碳纳米壁的拉曼散射光谱，图5(b)是实施例1所涉及的碳纳米壁的XPS光谱，图5(c)是实施例1所涉及的碳纳米壁片的拉曼散射光谱，图5(d)是实施例1所涉及的碳纳米壁片的XPS光谱。

图6(a)是实施例2所涉及的碳纳米壁的拉曼散射光谱，图6(b)是实施例2所涉及的碳纳米壁的XPS光谱，图6(c)是实施例2所涉及的碳纳米壁片的拉曼散射光谱，图6(d)是实施例2所涉及的碳纳米壁片的XPS光谱。

图7(a)是实施例3所涉及的碳纳米壁的拉曼散射光谱，图7(b)是实施例3所涉及的碳纳米壁的XPS光谱，图7(c)是实施例3所涉及的碳纳米壁片的拉曼散射光谱，图7(d)是实施例3所涉及的碳纳米壁片的XPS光谱。

图8是表示实施例1～3所涉及的碳纳米壁的催化剂特性的曲线图。

图9(a)以及图9(b)是在第二实施方式所涉及的氧还原催化剂中利用的碳纳米壁的SEM图像。

图10是在第二实施方式所涉及的氧还原催化剂中利用的碳纳米壁的XPS光谱。

具体实施方式