[发明专利]催化剂以及使用该催化剂的电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂、特别是燃料电池(PEFC)所使用的电极催化剂、以及使用该催化剂的电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池。

背景技术

使用质子传导性固体高分子膜的固体高分子型燃料电池与例如固体氧化物型燃料电池或熔融碳酸盐型燃料电池等其他型式的燃料电池相比，在低温下进行工作。因此，期待固体高分子型燃料电池作为固定用电源、或汽车等移动体用动力源，其实际应用也正在开始。

作为这种固体高分子型燃料电池，通常使用以Pt(铂)或Pt合金为代表的昂贵的金属催化剂，成为这种燃料电池的价格高的主要原因。因此，要求开发降低贵金属催化剂的使用量，且可实现燃料电池的低成本化的技术。

固体高分子型燃料电池所使用的催化剂通常为在炭黑等载体上担载有金属催化剂的方式。例如，专利文献1公开有由直径(2.35～7nm)的细孔所占的容积为全细孔容积的25％以上的碳微粉末和高分散在该碳微粉末上的贵金属粒子构成的催化剂。另外，专利文献1记载的是如下内容，构成催化剂的碳微粉末的比表面积为800m²/g载体以上。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开平6－196171号公报

但是，本发明者等发现，专利文献1公开的催化剂存在其气体的输送阻力增大(气体输送性不足)，催化活性下降这样的问题。

发明内容

因此，本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种气体输送性优异的催化剂。

本发明的另一目的在于，提供一种具有气体输送性优异的催化剂的电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池。

本发明者等为了解决上述问题，进行了深入研究，研究的结果发现，具有特定的空穴容积且担载的金属催化剂的比表面积为特定的值以下的催化剂可解决上述课题，直至完成了本发明。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的固体高分子型燃料电池的基本结构的概略剖面图；

图2是表示本发明一实施方式的催化剂的形状、构造的概略剖面说明图；

图3是表示本发明一实施方式的催化剂层的催化剂及电解质之间的关系的示意图。

符号说明

1固体高分子型燃料电池(PEFC)

2固体高分子电解质膜

3催化剂层

3a 阳极催化剂层

3c 阴极催化剂层

4a 阳极气体扩散层

4c 阴极气体扩散层

5隔板

5a 阳极隔板

5c 阴极隔板

6a 阳极气体流路

6c 阴极气体流路

7制冷剂流路

10 膜电极接合体(MEA)

20 催化剂

22 金属催化剂

23 催化剂载体

24 细小孔

26 电解质

具体实施方式

本发明的催化剂(在本说明书中，也称为“电极催化剂”)由催化剂载体(在本说明书中，也称为“载体”)及担载于上述催化剂载体的金属催化剂构成。这里，催化剂具有半径1nm以上且不足5nm的空穴，该空穴的空穴容积为0.8cc/g载体以上，而且，金属催化剂的比表面积为30m²/g载体以下。根据具有上述结构的催化剂，在抑制催化剂的空穴内用水充满的基础上，能确保有助于反应气体的输送的充分的空穴。其结果，能够提供气体输送性优异的催化剂。另外，在本说明书中，将半径1nm以上且不足5nm的空穴也称为“细小(meso)孔”。

在上述的专利文献1中，相对于全空穴容积，通过将适当大的空穴设为特定的比例以上，由此，金属催化剂不会凝集而以高分散的状态被担载。而且，这样的金属催化剂以微粒子状态(直径1～3nm的粒子状态)被担载，有效反应表面积增大，因此，提高催化活性。

但是，如上所述，本发明者等进行了深入研究，研究的结果发现，专利文献1的催化剂有气体输送性不充分的新的问题点。关于该问题点，本发明者等作为说明气体输送性不充分的机理，如下进行了考察。

在专利文献1公开的催化剂中，为了担载微细的金属催化剂，使金属催化剂的有效反应表面积(比表面积)增大，使用空穴容积即比表面积大的载体。