[发明专利]燃料电池催化剂用组合物及包含其的燃料电池

说明书

提供一种燃料电池催化剂用组合物，其包含具有C12A7的氧阴离子被卤素(X)阴离子取代的结构的C12A7:X^‑无机材料、或C12A7:X^‑被部分地电子盐化的物质即C12A7:X^‑系无机材料。还提供在催化剂层中包含该燃料电池催化剂用组合物的燃料电池。进而，提供一种燃料电池催化剂用组合物的制造方法，其包括将C12A7:X^‑在氮气氛下以1000～1300℃的温度进行20小时以上的热处理的工序。

技术领域

本公开涉及燃料电池催化剂用组合物和包含该组合物的燃料电池。更具体而言，本公开涉及不需要铂的燃料电池催化剂的组合物、以及包含该组合物的燃料电池及其制造方法。

背景技术

在固体高分子型燃料电池(PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cell)、磷酸型燃料电池(PAFC：Phosphoric Acid Fuel Cell)等燃料电池中，通常在阳极侧和阴极侧双方使用铂作为催化剂。然而，作为贵金属的铂昂贵，储量也有限，因此期望排除或减少燃料电池的催化剂中的铂的使用。因此，要求开发能够替代铂的催化剂。

作为铂替代催化剂，铁酞菁、含氮碳(碳合金)、氮掺杂碳等受到关注，但目前，还没有出现在高催化性和化学稳定性方面赶得上铂的催化剂。

C12A7(12CaO·7Al₂O₃)是既作为钙铝石(mayenite)这样的天然矿物存在、也作为氧化铝水泥的成分的无机物质。C12A7的结晶形成内径0.4nm左右的笼(笼子)状的骨架相互共有面而连接的结构，单位晶格内的12个笼中的2个内包有氧离子O^2-。专利文献1、2记载了对C12A7进行高温处理而将晶体笼内的O^2-阴离子取代为电子e^-并进行电子盐(electride)化而得到的晶体[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(4e^-)。专利文献3提及了将特定的C12A7化合物用作固体电解质燃料电池的电极材料的可能性，但在本发明人所知的范围内，实际上不存在指示将其用作燃料电池的催化剂进行发电的文献。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2005/000741号

专利文献2：国际公开第2007/060890号

专利文献3：日本特开2003-128415号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本公开提供不需要铂的燃料电池用催化剂以及包含该催化剂的燃料电池。

用于解决课题的方法

本发明人发现，C12A7(理想化学式为[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(O^2-)₂)的O^2-阴离子被氟阴离子取代而得到的物质(表示为C12A7:F^-；理想化学式为[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(4F^-))、被氯阴离子取代而得到的物质(表示为C12A7:Cl^-)等卤素取代C12A7在燃料电池的燃料极(阳极)或空气极(阴极)中具有催化能力，因此能够作为铂的替代催化剂而有效利用。进而发现，通过对这些卤素取代C12A7进行特定条件的热处理，能够进一步提高催化作用。本发明是基于这些发现而完成的。

本公开包含以下的实施方式。

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