[发明专利]固体高分子型燃料电池的催化剂载体用碳材料及其制造方法

说明书

一种固体高分子型燃料电池的催化剂载体用碳材料，其是具有三维分支的三维树状结构的多孔质碳材料，其枝径为81nm以下，并同时满足：(A)BET比表面积S_BET为400～1500m²/g；以及(B)在用水银孔率法测定的水银压力P_Hg与水银吸收量V_Hg的关系中，水银压力P_Hg的常用对数LogP_Hg从4.3增加至4.8时测定的水银吸收量V_Hg的增加量ΔV_{Hg：4.3‑4.8}为0.82～1.50cc/g。另外，还涉及上述这样的催化剂载体用碳材料的制造方法。

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池的催化剂载体用碳材料及其制造方法。

背景技术

近年来，能够在100℃以下的低温下工作的固体高分子型燃料电池受到了关注，作为车辆用驱动电源和固定型发电装置，其开发和实用化得到了发展。而且，一般的固体高分子型燃料电池的基本结构(单电池)具有包含下述部件的结构：夹着质子传导性的电解质膜而在其两外侧分别配置了作为阳极和阴极的催化剂层的膜电极接合体(MEA：MembraneElectrode Assembly)；夹着该膜电极接合体而分别配置于催化剂层的外侧的气体扩散层；和进而配置于上述这些气体扩散层的外侧的隔膜。固体高分子型燃料电池通常为了实现所需的输出功率，采用将所需数量的单电池堆叠的结构。

而且，在上述这样的固体高分子型燃料电池的单电池中，从分别配置于阳极侧和阴极侧的隔膜的气体流路，分别向阴极侧供给氧、空气等氧化性气体，并向阳极侧供给氢等燃料。将上述被供给的氧化性气体和燃料(有时将它们称作“反应气体”)分别通过气体扩散层而供给至催化剂层，利用在阳极的催化剂层发生的化学反应与在阴极的催化剂层发生的化学反应之间的能量差(电位差)而取出功。例如，在使用氢气作为燃料、使用氧气作为氧化性气体的情况下，将在阳极的催化剂层发生的化学反应〔氧化反应：H₂→2H⁺+2e^-(E₀＝0V)〕与在阴极的催化剂层发生的化学反应〔还原反应：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(E₀＝1.23V)〕之间的能量差(电位差)作为功而取出。

这里，关于形成上述催化剂层而引发化学反应的催化剂，从电子传导性、化学稳定性和电化学稳定性的观点出发，通常使用多孔质碳材料作为催化剂载体。另外，作为催化剂金属，主要采用能够在强酸性环境下使用、并且对氧化反应和还原反应均显示高的反应活性的铂或铂合金。而且，对于催化剂金属来说，由于一般情况下上述的氧化反应和还原反应是在催化剂金属上发生，所以为了提高该催化剂金属的利用率，需要增大单位质量的比表面积。因此，催化剂金属通常使用数nm左右大小的粒子。

关于负载上述这样的催化剂金属的催化剂载体，为了提高作为载体的负载能力(即，为了增多用于吸附并负载上述的数nm左右的催化剂金属的位点)，比表面积大的多孔质碳材料是重要的。同时，为了尽可能以高分散状态负载上述的催化剂金属，还要求是具有大的介孔容积(细孔直径为2～50nm的介孔的容积)的多孔质碳材料。同时，在形成了作为阳极和阴极的催化剂层时，要求可以使供给至该催化剂层中的反应气体无阻力地扩散、而且使该催化剂层中生成的水(生成水)无延迟地排出。为此，在该催化剂层中形成适合于反应气体的扩散和生成水的排出的微细孔是重要的。

因此，以往，作为具有比较大的比表面积和介孔容积、同时具有枝立体地发达(发展)而成的树状结构的多孔质碳材料，使用例如CABOT公司制的VULCAN XC-72、LION公司制的EC600JD和LION公司制的EC300。另外，作为催化剂载体用碳材料，也在尝试进行开发具有更适合的比表面积和介孔容积、并且具有更适合的树状结构的多孔质碳材料。近年来，作为开始特别关注的多孔质碳材料，有下述的碳材料：具有三维分支的三维树状结构的乙炔银等金属乙炔化物被制造作为中间体，维持了该三维树状结构的树状碳纳米结构体。关于维持了三维树状结构的树状碳纳米结构体，迄今为止也提出了几个方案。