[发明专利]燃料电池用阴极催化剂层的制造方法、阴极催化剂层以及固体高分子型燃料电池用膜电极接合体

说明书

技术领域

本发明涉及关于燃料电池用阴极催化剂层和固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的技术。更详细而言，关于使用具有氧还原活性的非铂催化剂，制造显示高发电性能的阴极催化剂层和固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的技术。

背景技术

燃料电池是使含有氢的燃料气体和含氧的氧化剂气体在含有催化剂的电极中发生水的电解的逆反应，产生热的同时产生电的发电系统。该发电系统与以往的发电方式相比较具有高效率且低环境负荷、低噪声等特征，作为将来的清洁能源备受注目。根据使用的离子传导体的种类有几种类型，使用质子传导性固体高分子膜的燃料电池称为固体高分子型燃料电池。

燃料电池中，由于固体高分子型燃料电池可以在室温附近使用，所以有望用于车载用电源、家庭安置用电源等，近年来，不断进行着各种研究开发。固体高分子型燃料电池具备膜电极接合体（Membrane Electrode Assembly；以下，有时称为MEA）。该膜电极接合体为在高分子电解质膜的两面配置一对电极而成的结构。而且，上述固体高分子型燃料电池是用一对隔膜夹持的电池，该一对隔膜形成用于对上述一对电极中的一个电极供给含有氢的燃料气体的气体流路；并形成用于对上述一对电极中的另一个电极供给含氧的氧化剂气体的气体流路。在这里，供给燃料气体的电极称为阳极（燃料极），供给氧化剂的电极称为阴极（空气极）。这些电极通常由催化剂层和气体扩散层构成，所述催化剂层是将担载了铂系贵金属等催化剂物质的碳粒和高分子电解质层叠而成，所述气体扩散层兼具气体通气性和导电性。

面向固体高分子型燃料电池的实用化的课题，可举出输出密度、耐久性的提高等，而最大的课题是低成本化。

现有的固体高分子型燃料电池中，使用高价的铂作为电极催化剂，为了真正的普及，强烈要求开发代替材料。特别是，由于阴极（空气极）与阳极（燃料极）相比使用大量的铂，所以针对阴极的显示高氧还原催化性能的铂代替材料（非铂催化剂）的开发盛行。

作为阴极中使用的非铂催化剂的例子，例如专利文献1中，记载有作为过渡金属的铁的氮化物和贵金属的混合物。另外，专利文献2中，记载有作为过渡金属的钼的氮化物。但是，像专利文献1和专利文献2中记载的催化剂物质在酸性电解质中的氧还原性能不充分，且有时催化剂物质溶解。

另一方面，非专利文献1中，记载有部分氧化的钽的碳氮化物，显示具有优异的稳定性和催化性能。但是，该氧化物系非铂催化剂作为催化剂单体显示高氧还原催化性能。

在此，对于以往的担载铂的碳催化剂，专利文献3中，记载了通过在碳的表面赋予亲水性官能团，从而提高与质子传导性高分子电解质的亲和性，提高催化剂的利用率的内容。另外，专利文献4中，对于以往的担载铂的碳催化剂，公开了在碳的表面导入亲水性官能团时碳表面不被氧化消耗的表面修饰碳材料。

专利文献1：日本特开2005-44659号公报

专利文献2：日本特开2005-63677号公报

专利文献3：日本特开2006-4622号公报

专利文献4：日本特开2007-161511号公报

非专利文献1：“Journal of The Electrochemical Society”，Vol.155，No.4，pp.B400-B406（2008）

发明内容

本发明的目的在于提供使用具有氧还原活性的氧化物系非铂催化剂物质，得到高发电特性的燃料电池用阴极催化剂层和固体高分子型燃料电池用膜电极接合体。

为了解决上述课题，在本发明中，技术方案1中记载的发明，其特征在于，具备：官能团导入工序，在具有氧还原活性且含有钽元素的催化剂物质的表面导入官能团；

混合形成工序，将导入有上述官能团的催化剂物质、电子传导性物质和质子传导性高分子电解质混合，制作用于形成燃料电池用阴极催化剂层的油墨。

其次，技术方案2中记载的发明，其特征在于，相对于技术方案1中记载的构成，上述官能团为选自磺酸基、磷酸基和羧酸基中的至少1种官能团。

接下来，技术方案3中记载的发明，其特征在于，相对于技术方案2中记载的构成，具有上述氧还原活性的催化剂物质的比表面积为1m²/g～100m²/g，且平均粒径为1nm～3μm。

接下来，技术方案4中记载的发明，其特征在于，相对于技术方案3中记载的构成，具有上述氧还原活性的催化剂物质是将过渡金属元素的碳氮化物在含氧气氛中部分氧化而形成的物质。