[发明专利]用于燃料电池的电极催化剂和制造用于燃料电池的电极催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的电极催化剂，还涉及制造用于燃料电池的电极催化剂的方法。

发明背景

燃料电池通过氢和氧之间的电化学反应发电。通过燃料电池发电的副产物理论上只有水。因此，燃料电池已作为对全球环境影响最小的环保发电系统引起广泛关注。

在燃料电池中，向阳极(燃料电极)侧供应含氢气的燃料气体并向阴极(空气电极)侧供应含氧气的氧化气体，由此生成电动势。在这种情况下，在阳极侧上发生化学方程式(1)代表的氧化反应，在阴极侧上发生化学方程式(2)代表的还原反应，并且总体上发生化学方程式(3)代表的反应。因此，向外部电路供应电动势。

H₂→2H⁺+2e^-(1)

(1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O(2)

H₂+(1/2)O₂→H₂O(3)

根据电解质的种类，燃料电池被分类为聚合物电解质燃料电池(PEFCs)、磷酸燃料电池(PAFCs)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFCs)、固体氧化物燃料电池(SOFCs)等。在这些种类的燃料电池中，PEFCs和PAFCs通常带有电极催化剂，其包括导电载体如碳载体，和负载在该导电载体上的具有催化活性的催化剂金属如铂或铂合金的粒子。

电极催化剂中包括的碳载体通常在其表面上具有石墨结构，该石墨结构具有大约800m²/g的高比表面积，即具有低结晶度。催化剂金属的粒子可以高度分散地负载在具有高比表面积的碳载体的表面上。因此，使用具有高比表面积的碳载体可以增强所得电极催化剂的单位质量活性(mass activity)(每单位质量的电流密度)。

例如，WO 2007/119640描述了用于燃料电池的电极催化剂，其中含有铂和钴的催化剂粒子负载在导电载体上。根据WO 2007/119640的电极催化剂的特征在于该催化剂粒子中所含的铂和钴之间的组成比(摩尔比)为3:1至5:1。根据WO 2007/119640，该导电载体优选是具有50m²/g至1000m²/g的比表面积的炉炭或具有50m²/g至1000m²/g的比表面积的乙炔黑。此外，WO 2007/119640描述了通过使用具有大约800m²/g的比表面积的市售炭黑粉末制造用于燃料电池的电极催化剂而获得的结果。

日本专利申请公开No.2014-007050(JP 2014-007050 A)描述了用于聚合物电解质燃料电池的催化剂，其中将含有铂、钴和锰的催化剂粒子负载在碳粉载体上。根据JP 2014-007050 A的催化剂的特征在于该催化剂粒子中的铂、钴和锰之间的组成比(摩尔比)(Pt:Co:Mn)为1:0.06-0.39:0.04-0.33。此外，在对该催化剂粒子的X-射线衍射分析中，在2θ＝27°附近出现的Co-Mn合金的峰强度与在2θ＝40°附近出现的主峰的比率为0.15或更小。JP 2014-007050 A描述了通过使用包括细碳粉(具有大约900m²/g的比表面积)作为载体并具有46.5质量％的铂负载率的铂催化剂制造用于聚合物电解质燃料电池的催化剂而获得的结果。

日本专利申请公开No.2015-035356(JP 2015-035356 A)描述了用于燃料电池的电极催化剂粒子和用于燃料电池的电极催化剂。电极催化剂粒子是含有铂原子和非铂金属原子的合金粒子。在电极催化剂粒子中，非铂金属原子和铂原子的键合数的平均值与非铂金属原子和非铂金属原子的键合数的平均值的比率为2.0或更大。在用于燃料电池的电极催化剂中，将用于燃料电池的电极催化剂粒子负载在导电载体上。根据JP 2015-035356 A，该导电载体优选具有10m²/g至5000m²/g的比表面积。此外，JP 2015-035356 A描述了通过使用碳载体(EC-300J，平均粒径:40nm，BET比表面积:800m²/g，Lion Corporation生产)制造用于燃料电池的电极催化剂而获得的结果。

发明内容