[发明专利]催化剂用碳粉末以及使用该催化剂用碳粉末的催化剂、电极催化剂层、膜电极接合体和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂用碳粉末、特别是燃料电池中使用的催化剂用碳粉末、以及使用该催化剂用碳粉末的催化剂、电极催化剂层、膜电极接合体和燃料电池。

背景技术

与例如固体氧化物型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池等其它类型的燃料电池相比，使用质子导电性固体高分子膜的固体高分子型燃料电池(PEFC)在较低温度下工作。因此，固体高分子型燃料电池作为固定用电源、汽车等的移动体用动力源受到期待，也已经开始其实用。

这种固体高分子型燃料电池中通常使用以Pt(铂)、Pt合金为代表的昂贵的金属催化剂。另外，作为负载金属催化剂的载体，从拒水性和耐腐蚀性的观点出发，使用了石墨化碳。例如，专利文献1中记载了使用[002]面的平均晶面间距d₀₀₂为0.338～0.355nm、比表面积为80～250m²/g、堆积密度为0.30～0.45g/ml的载体。专利文献1中记载了，通过使用该石墨化载体，耐久性优异。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-26174号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，专利文献1中记载的载体虽然载体的耐久性优异，但是由于比表面积小而存在活性经时降低的问题。

因此，本发明是鉴于上述状况而做出的，目的在于提供能够维持载体的耐久性且抑制催化剂活性降低的催化剂用碳粉末。

本发明的其它目的在于提供耐久性和发电性能优异的催化剂、电极催化剂层、膜电极接合体和燃料电池。

用于解决问题的方案

本发明人等为了解决上述问题而进行了深入研究，结果发现，通过使用具有特定比表面积和D’/G强度比的催化剂用碳粉末作为载体，能解决上述问题，从而完成了本发明。

附图说明

图1为示出本发明的一个实施方式的固体高分子型燃料电池的基本构成的截面示意图。图1中，1表示固体高分子型燃料电池(PEFC)；2表示固体高分子电解质膜；3a表示阳极催化剂层；3c表示阴极催化剂层；4a表示阳极气体扩散层；4c表示阴极气体扩散层；5a表示阳极隔膜；5c表示阴极隔膜；6a表示阳极气体流路；6c表示阴极气体流路；7表示制冷剂流路；且10表示膜电极接合体(MEA)。

图2为示出本发明的一个实施方式的催化剂的形状/结构的示意性截面说明图。图2中，20表示催化剂；22表示催化剂金属；23表示载体；24表示介孔；且25表示微孔。

图3为示出碳粉末为图2中记载的碳粉末时的催化剂层中的催化剂和电解质的关系作为一例的示意图。图3中，22表示催化剂金属；23表示载体；24表示介孔；25表示微孔；且26表示电解质。

图4为示出实验1中由实施例1和2制造的载体A和B以及由比较例3制造的载体E的覆铂评价结果的图表。

图5为示出实验3中由实施例6制造的MEA(1)和由比较例7制造的MEA(2)的发电性能评价结果的图表。

具体实施方式

本发明的催化剂用碳粉末(本说明书中也简称为“碳粉末”)以碳作为主要成分。此处，“以碳作为主要成分”是指包含仅由碳构成、实质上由碳构成这两者的概念，也可以包含除碳以外的元素。“实质上由碳构成”是指整体的80重量％以上、优选整体的95重量％以上(上限：不足100重量％)由碳构成。

另外，本发明的催化剂用碳粉末满足下述特征(a)和(b)：

(a)每单位重量的BET比表面积为900m²/g以上；和

(b)利用拉曼光谱法在1620cm^-1附近测得的D’带的峰强度(D’强度)相对于在1580cm^-1附近测得的G带的峰强度(G强度)的比R’(D’/G强度比)为0.6以下。需要说明的是，本说明书中，将利用拉曼光谱法在1580cm^-1附近测得的G带也简称为“G带”。本说明书中，将利用拉曼光谱法在1620cm^-1附近测得的D’带也简称为“D’带”。另外，将G带和D’带的峰强度也分别称为“G强度”和“D’强度”。进而，将D’强度相对于G强度的比也简称为“R’值”或“D’/G强度比”。具有上述特征的催化剂用碳粉末的比表面积大且成为电化学腐蚀的起点的边缘量少。因此，通过使用本发明的催化剂用碳粉末作为载体，能够提供耐久性优异且能维持催化剂活性的催化剂。