燃料电池用碳粉末以及使用该燃料电池用碳粉末的催化剂、电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种能够提供具有高性能的催化剂的碳粉末及催化剂。燃料电池用碳粉末以碳为主要成分，其中，将在惰性气体环境中以1800℃进行1小时热处理时的通过XRD分析观测的存在于2θ＝22.5°～25°的位置的峰值0的面积设为A，将通过XRD分析观测的存在于2θ＝26°的位置的峰值1的面积设为B的情况下，峰值1的面积B相对于峰值0的面积A之比(B/A)超过0且0.15以下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池用碳粉末以及使用该燃料电池用碳粉末的催化剂、电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池
本专利技术涉及燃料电池用碳粉末，特别是涉及燃料电池催化剂用碳粉末、以及使用该燃料电池用碳粉末的催化剂、电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池。
技术介绍
例如，与固体氧化物型燃料电池及熔融碳酸盐型燃料电池等其它类型的燃料电池相比，使用质子传导性固体高分子膜的固体高分子型燃料电池(PEFC)在低温下工作。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被期待，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)或Pt合金为代表的昂贵的金属催化剂。另外，作为担载(负载)金属催化剂的载体，为了使上述金属催化剂进行高担载(高负载)及高分散，而使用比表面积较大的碳载体或掺杂的碳载体。但是，现有的碳载体并没有最大地产生碳材料的特质且没有充分实现被担载的铂的活性。为了解决上述课题，例如，专利文献1中记载一种在掺杂了氮原子及硼原子的至少一方的平均粒径45μm以下的碳合金微粒子(碳基材)上担载了铂或铂合金的燃料电池用电极催化剂。专利文献1所记载的碳合金微粒子记载有：由于有电子、化学活性的边缘面增加，因此，担载铂的催化剂呈现高的活性。现有技术文献专利文献专利文献1：(日本)特开2007-311026号公报专利技术所要解决的课题但是，专利文献1所记载的催化剂根据用途(例如，车辆用的燃料电池)不能呈现充分的活性。
技术实现思路
因此，本专利技术是鉴于上述情况而创立的，其目的在于，提供一种在催化剂金属担载时能够发挥高催化剂活性燃料电池用碳粉末。本专利技术的另一目的在于，提供发电性能及/或耐久性优异的催化剂、电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池。用于解决课题的技术方案本专利技术人等为了解决上述问题进行了锐意研究，结果发现，通过将具有特定的结晶性的燃料电池用碳粉末用作载体而解决上述课题，并最终完成本专利技术。附图说明图1是表示本专利技术的一实施方式的固体高分子型燃料电池的基本构成的概略剖面图。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，10表示膜电极接合体(MEA)。具体实施方式本专利技术的燃料电池用碳粉末(本说明书中，也简称为“碳粉末”或“本专利技术的碳粉末”)以碳为主要成分。在此，“以碳为主要成分”是包含仅由碳构成、实际上由碳构成双方的概念，也可以含有碳以外的元素。“实际上由碳构成”是指，碳粉末整体的98重量％以上，优选整体的99.5重量％以上(上限：低于100重量％)由碳构成。另外，本专利技术的燃料电池用碳粉末满足下述结构(i)：(i)峰值1的面积B相对于峰值0的面积A的比(B/A)超过0且为0.15以下。满足上述结构(i)的燃料电池用碳粉末的结晶性较低，因此，能够高分散地担载催化剂金属。因此，通过将本专利技术的燃料电池用碳粉末用作载体，能够提供催化剂活性优异的催化剂。在此，面积A是在惰性气体环境中以1800℃进行1小时热处理时的通过XRD分析观测的存在于2θ＝22.5°～25°的位置的峰值0的面积。另外，面积B是在惰性气体环境中以1800℃进行1小时热处理时的通过XRD分析观测的存在于2θ＝26°的位置的峰值1的面积。本说明书中，在惰性气体环境中以1800℃进行1小时热处理时的通过XRD分析观测的存在于2θ＝22.5°～25°的位置的峰值0均简称为“峰值0”，另外，将该峰值0的面积均简称为“面积A”。同样地，本说明书中，在惰性气体环境中以1800℃进行1小时热处理时的通过XRD分析观测的存在于2θ＝26°的位置的峰值1均简称为“峰值1”，另外，将该峰值1的面积均简称为“面积B”。另外，本说明书中，将面积B相对于面积A之比均称为“B/A”或“B/A比”。上述专利文献1所记载的碳合金微粒子抑制碳结构的基底面方向的X射线衍射线的发展，与基底面垂直方向的边缘面的比例增加。随着该边缘面的增加，与边缘面接触的铂或铂合金的比例增加，催化剂活性增加(专利文献1段落“0017”)。但是，根据用途不同，很难说在上述碳合金微粒子上担载催化剂金属的催化剂的活性充分。另外，边缘面的抗氧化性较弱。在包含以这种碳合金微粒子为载体的催化剂的催化剂层中，由于将存在于层中的水作为氧化剂生成二氧化碳的电化学的氧化反应(C+2H2O→CO2+4H++4e-)，引起碳载体的腐蚀。上述碳腐蚀在启动停止的重复进行/连续运转时特别成为问题。因此，将上述专利文献1所记载的碳合金微粒子用作载体的催化剂由于耐久性、特别是启动停止/连续运转时的碳劣化，耐久性差。与之相对，本专利技术的碳粉末满足上述(i)。结晶性高的部位的表面能量较低，因此，催化剂金属难以担载于结晶性高的碳粉末。本专利技术的碳粉末的结晶性较低(B/A比较小)。因此，催化剂金属(例如，铂)稳定地吸附于碳粉末，因此，在将催化剂金属担载于载体粉末时，能够抑制、防止催化剂金属的烧结。另外，结晶性低的碳粉末中，催化剂金属能够以小粒子方式进行高分散的担载。因此，在这种碳粉末担载催化剂金属的催化剂中，催化剂金属的比表面积增加。因此，这种催化剂中，催化剂金属与反应气体的接触面积增大，且能够提高质量比活性。因此，在本专利技术的碳粉末上担载催化剂金属而构成的催化剂能够发挥较的活性(例如，质量比活性)。此外，在结晶性较低(B/A比较小)的情况下，耐久性通常降低。但是，本专利技术的碳粉末在下述中详细叙述，但以特定的热处理条件制作，因此，抗氧化性弱的边缘面较少。在此，石墨烯分子的边缘(端部)的电子状态与石墨烯分子中央部(六元环)不同，容易成为碳腐蚀的起点。本专利技术的碳粉末由于这种抗氧化性弱的边缘面较少，因此，难以受到在启动停止/连续运转时可产生的氧化反应(抗氧化性优异)，电化学的耐腐蚀性优异(难以腐蚀)。因此，在本专利技术的碳粉末上担载催化剂金属而构成的催化剂的耐久性优异。此外，上述效果在通过拉曼分光法在1620cm-1附近测量的D’带的峰值强度(D’强度)相对于在1580cm-1附近测量的G带的峰值强度(G强度)之比R’(D’/G强度比)为0.30以下时是特别显著的。因此，本专利技术的燃料电池用碳粉末在担载了催化剂金属的情况下，能够发挥高的催化剂活性。另外，本专利技术的燃料电池用碳粉末的耐久性优异，在担载了催化剂金属的情况下能够维持高的催化剂活性。通过将本专利技术的碳粉末用作载体，能够提供催化剂活性及耐久性优异的催化剂、进而具有高性能及高耐久性的电化学器件(例如，MEA，电容器)。因此，本专利技术的燃料电池用碳粉末能够适用作催化剂，特别是燃料电池用催化剂的载体。即，本专利技术包含在本专利技术的燃料电池用碳粉末上担载催化剂金属而构成的燃料电池用催化剂。另外，本专利技术的燃料电池用碳粉末(载体)的碳边缘量较少。因此，根据本专利技术的燃料电池用催化剂，能够抑制、防止碳腐蚀引起的性能降低，即，能够提高耐久性。在本专利技术的燃料电池用碳粉末上担载催化剂金属而构成的燃料电池用催化剂的结晶性较低，因此，利用高分散的催化剂金属，能够发挥较高的催化剂活性(能够促进催化剂反应)，且催化剂担载碳的碳边缘量较少，因此，相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用碳粉末，以碳为主要成分，其中，将在惰性气体环境中以1800℃进行1小时热处理时的、通过XRD分析观测的存在于2θ＝22.5°～25°的位置的峰值0的面积设为A，将通过XRD分析观测的存在于2θ＝26°的位置的峰值1的面积设为B的情况下，峰值1的面积B相对于峰值0的面积A之比(B/A)超过0且0.15以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.11 JP 2016-0489111.一种燃料电池用碳粉末，以碳为主要成分，其中，将在惰性气体环境中以1800℃进行1小时热处理时的、通过XRD分析观测的存在于2θ＝22.5°～25°的位置的峰值0的面积设为A，将通过XRD分析观测的存在于2θ＝26°的位置的峰值1的面积设为B的情况下，峰值1的面积B相对于峰值0的面积A之比(B/A)超过0且0.15以下。2.如权利要求1所述的碳粉末，其中，具有介孔，该介孔的空穴容积为0.9cm3/g载体以上。3.如权利要求1或2所述的碳粉末，其中，所述峰值1的面积B相对于峰值0的面积A之比(B/A)超过0且不足0.06。4.如权利要求1～3中任一项所述的碳粉末，其中，每单...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥井武彦，田中裕行，在原一树，真盐彻也，大间敦史，森下隆广，初代善夫，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，东洋炭素株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP