[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

本发明涉及一种具有3维树状结构、且同时满足下述的(A)、(B)以及(C)的固体高分子型燃料电池的催化剂载体用碳材料：(A)在波长为532nm的激光拉曼光谱测定中，以束径1μm以及50个测定点测得的D‑带强度(在1360cm^‑1附近)与G‑带强度(在1580cm^‑1附近)的相对强度比(R值)的标准偏差δ(R)为0.01～0.07；(B)BET比表面积S_BET为400～1520m²/g；以及(C)相对压力p/p₀在0.4至0.8之间的氮气吸附量V_N:0.4‑0.8为100～300cc(STP)/g。另外，本发明还涉及一种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引人注目，作为车辆用驱动电源以及固定型发电装置，正在进行开发以及实用化。而且一般的固体高分子型燃料电池的基本结构(单电池)所具有的构造包括：膜电极接合体(MEA：MembraneElectrode Assembly)，其夹持着质子传导性的电解质膜，并在其两外侧分别配置着成为阳极和阴极的催化剂层；气体扩散层，其夹持着该膜电极接合体，并分别配置于催化剂层的外侧；以及隔板，其进一步配置于这些气体扩散层的外侧。固体高分子型燃料电池通常具有将为实现必要的输出功率所必需的几个单电池堆叠(stack)而成的结构。

而且在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板的气体流路向阴极侧供给氧、空气等氧化性气体，并向阳极侧供给氢等燃料。使这些供给的氧化性气体以及燃料(有时将它们称之为“反应气体”)分别经由气体扩散层而供给至催化剂层，从而利用在阳极的催化剂层所发生的化学反应、和在阴极的催化剂层所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，将阳极的催化剂层所发生的化学反应〔氧化反应：H₂→2H⁺+2e^-(E₀＝0V)〕、和阴极的催化剂层所发生的化学反应〔还原反应：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(E₀＝1.23V)〕之间的能量差(电位差)作为功取出。

在此，关于形成上述的催化剂层而产生化学反应的催化剂，作为催化剂载体，从电子传导性、化学稳定性以及电化学稳定性的角度考虑，通常可以使用多孔质碳材料。另外，作为催化剂金属，主要使用能够在强酸性环境下使用、对氧化反应和还原反应均显示出较高的反应活性的Pt或者Pt合金。而且对于催化剂金属，一般地说，由于上述的氧化反应和还原反应在催化剂金属上发生，因而为了提高该催化剂金属的利用率，需要增大每单位质量的比表面积。因此，催化剂金属通常使用大小为几nm左右的粒子。

对于担载着这样的催化剂金属的催化剂载体，为了提高作为载体的担载能力(也就是使用于吸附并担载上述几nm左右的催化剂金属的位点增多)，需要比表面积较大的多孔质碳材料。与此同时，为了尽可能以高分散状态担载上述催化剂金属，要求具有较大的中孔容积(细孔直径为2～50nm的中孔的容积)的多孔质碳材料。同时，在形成成为阳极和阴极的催化剂层时，要求使供给至该催化剂层中的反应气体无阻力地扩散，而且使在该催化剂层中生成的水(生成水)不迟延地排出。因此，在该催化剂层中，有必要形成适于反应气体扩散以及生成水排出的微细孔。