[发明专利]催化剂、其制造方法、电极材料、燃料电池及碳纤维

说明书

本申请是于2005年1月26日提交的申请号为200580003354.0、名称为“催化剂担载体及使用该催化剂担载体的燃料电池”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及催化剂担载体。更详细讲，涉及能够作为燃料电池的电极催化剂使用的、催化剂金属被担载在碳纤维上而形成的催化剂担载体，其制造方法以及使用该催化剂担载体的燃料电池。

背景技术

固体高分子型燃料电池，与磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池比较，为紧凑型，并且在室温下工作就得到高电流密度，因此作为电动汽车用、便携用电源受到注目。另外，在该领域，提出了关于构成构件、系统构成等的为数较多的方案。现有的固体高分子型燃料电池的叠层(stack)结构，例如为隔膜/电极(氧极)/电解质膜/电极(氢极)/隔膜的三明治结构。作为该燃料电池用电极的要求特性，是防止电极的一氧化碳中毒和提高每单位催化剂金属量的活性。一直以来，以防止中毒和提高活性为目的，进行着作为催化剂使用金属或合金的尝试(特开2001-85020号公报(US6,689,505))，并指出催化剂的粒径在几nm为宜。

另一方面，关于用于载体的碳，一直使用通常的炭黑那样的颗粒状的碳(特开平8-117598号公报、特开2003-201417号公报(EP1309024)及特开2001-357857号公报)，但因为碳颗粒之间的接触为点接触，因此有电阻大、另外透气性不充分的问题。为了解决这些问题，认为将用于载体的碳从颗粒状的碳变成纤维状的碳是有效的(特开平7-262997号公报、特开2003-317742号公报及特开2003-200052号公报)。

作为碳纤维，已知有气相生长碳纤维(Vapor Grown Carbon Fiber)、碳纳米管、PAN系碳纤维。但是，在迄今为止所发表的任何报告中都未公开制作由均匀、高密度地担载有微细的催化剂颗粒的碳纤维构成的电极的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供：能够提高每单位催化剂金属量的活性、降低反应电阻、提高输出功率密度的、适合作为催化剂载体等的气相碳纤维，在该气相碳纤维上担载有金属催化剂的催化剂担载体，它们的制造方法，以及在燃料电池中使用的用途。

本发明为以下所示的催化剂担载体、其制造方法及其用途。

[1]一种催化剂担载体，其特征在于，在通过进行粉碎处理使得BET比表面积成为4～100m²/g、纵横比成为1～200的、平均外径2～500nm的气相生长碳纤维上担载有促进氧化还原反应的催化剂金属。

[2]如上述1所述的催化剂担载体，其中，粉碎后的平均纤维长度相对于粉碎前的平均纤维长度的比为0.8以下。

[3]如上述1或2所述的催化剂担载体，其中，粉碎后的比表面积相对于粉碎前的比表面积的比为1.1以上。

[4]如上述1～3的任1项所述的催化剂担载体，其中，气相生长碳纤维是含有分支状气相生长碳纤维的碳纤维。

[5]如上述1～4的任1项所述的催化剂担载体，其中，催化剂金属为选自铂、第4周期及第5周期过渡金属中的至少1种金属或其合金。

[6]一种催化剂担载体的制造方法，其特征在于，将烃热分解而得到的平均外径为2～500nm的气相生长碳纤维、或者该气相生长碳纤维在惰性气体气氛下、在温度600～1300℃下进行了热处理的气相生长碳纤维进行粉碎，使得BET比表面积达到4～100m²/g、纵横比达到1～200，然后使之担载促进氧化还原反应的催化剂金属。

[7]如上述6所述的催化剂担载体的制造方法，其中，催化剂金属的担载采用液相还原法来进行。

[8]如上述6或7所述的催化剂担载体的制造方法，其中，在粉碎气相生长碳纤维后，在惰性气体气氛下、在温度2000～3000℃下进行热处理。

[9]如上述6或7所述的催化剂担载体的制造方法，其中，在粉碎气相生长碳纤维之前，在惰性气体气氛下、在温度2000～3000℃下进行热处理。

[10]如上述6～9的任1项所述的催化剂担载体的制造方法，其中，粉碎是通过利用冲击力的干式粉碎进行的。

[11]如上述10所述的催化剂担载体的制造方法，其中，粉碎是在存在5体积％以上的氧浓度的气氛下进行的。

[12]一种催化剂担载体，是采用上述6～11的任1项所述的制造方法得到的。

[13]一种电极材料，在导电性基体材料上形成有包含上述1～5和12的任1项所述的催化剂担载体的催化剂层。