[发明专利]燃料电池用电极催化剂、生产其的方法和燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池用电极催化剂，其包含具有孔(13)的碳载体(11)和负载在碳载体(11)上的包含铂或铂合金的催化剂颗粒。碳载体(11)的孔(13)的孔(13)众数尺寸在2.1nm至5.1nm的范围内。碳载体(11)的孔(13)的总孔体积在21cm³/g至35cm³/g的范围内。作为50％累积频率的距离，碳载体(11)的表面与催化剂颗粒之间的距离在2.0nm至12nm的范围内。

发明背景

1.技术领域

本发明涉及燃料电池用电极催化剂、生产其的方法和燃料电池。

2.背景技术

在燃料电池中，通过使氢与氧发生电化学反应来获得功率。根据燃料电池的发电产生的产物原则上仅是水。因此，作为对全球环境负担小的清洁发电系统，燃料电池已受到关注。

在燃料电池中，通过向阳极(燃料电极)侧供应含氢的燃料气体并向阴极(空气电极)侧供应含氧的氧化剂气体来获得电动势。在阳极侧进行氧化反应，在阴极侧进行还原反应，并向外电路提供电动势。

根据电解质的类型，燃料电池分为聚合物电解质燃料电池(polymer electrolytefuel cell，PEFC)、磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell，MCFC)和固体氧化物燃料电池(solid oxide fuelcell，SOFC)。其中，在PEFC和PAFC中，通常使用包含导电载体(如碳载体)和负载在导电载体上的具有催化活性的催化金属(如铂或铂合金)的颗粒(下文中称为“催化剂颗粒”)的电极催化剂。

通常，用于电极催化剂的碳载体具有高比表面积以增加催化剂颗粒的负载密度。作为具有高比表面积的碳载体，可以例示具有多个孔的碳载体。

例如，WO 2014/175100描述了包含催化剂载体和负载在催化剂载体上的催化金属的催化剂。在该催化剂中，孔的孔分布的众数半径(mode radius)为1nm或更大且小于5nm。催化金属负载在孔内部，并且众数半径等于或小于催化金属的平均颗粒半径。孔的孔体积为0.4cc/g载体或更大。

日本未审查专利申请公布第2006-164575号(JP 2006-164575 A)描述了用于聚合物电解质燃料电池的电极催化剂层，其是防水电极催化剂层，其中1)电极催化剂层包含固体聚合物电解质和催化剂材料，2)催化剂材料通过在碳材料的表面上负载催化活性组分而获得，以及3)电极催化剂层在至少一个表面的一部分或全部上形成防水层。

日本专利第5481748号描述了其中含碳棒状体或环状体分支且BET比表面积为870m²/g或更大的树枝状碳纳米结构。日本专利第5481748号还描述了生产碳纳米结构的方法。该方法包括：制备包含金属或金属盐的溶液的过程；在施加超声波的同时将乙炔气体吹入溶液中并产生包含金属和碳的树枝状结晶体的过程；对树枝状结晶体进行第一加热处理，分离树枝状结晶体中的金属，并且在其中含碳棒状体或环状体分支的树枝状碳纳米结构中产生其中含有金属的含金属树枝状碳纳米结构的过程；以及对含金属树枝状碳纳米结构进行第二加热处理，并使含金属树枝状碳纳米结构中包含的金属喷出的过程。