燃料电池用催化剂、燃料电池用膜电极接合体及具备该燃料电池用膜电极接合体的燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种电力的输出特性高，并抑制由启动、停止或负载变动导致的发电性能的降低的燃料电池用催化剂、其制造方法、燃料电池用膜电极接合体及具备其的燃料电池。本发明专利技术中的燃料电池用催化剂至少具有催化活性物质、及负载所述催化活性物质的载体，其中，所述催化活性物质为选自铂、铂合金、及用包含铂的壳包覆与铂不同的金属的核而成的核壳催化剂中的至少一种，所述载体为碳材料，所述催化活性物质及所述载体中的至少任一者包含氟原子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池用催化剂、燃料电池用膜电极接合体及具备该燃料电池用膜电极接合体的燃料电池
本专利技术涉及燃料电池用催化剂、其制造方法、燃料电池用膜电极接合体及具备其的燃料电池，更详细而言，涉及电力的输出特性高，抑制了由启动、停止或负载变动导致的发电性能的降低的燃料电池用催化剂、其制造方法、燃料电池用膜电极接合体及具备其的燃料电池。
技术介绍
燃料电池直接将化学能转换为电能，由于其在转换时仅排出水，因此作为清洁的发电系统备受瞩目。燃料电池根据所使用的电解质、电极的种类进行分类。作为代表性的燃料电池，例如，可举出：固体高分子型、固体氧化物型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型、碱性型等。在这些燃料电池中，固体高分子型的燃料电池的运行温度低(通常为100℃以下)，能够实现小型化，因此，被用作家用热电联产系统、电动汽车用电源、便携式电源、信息设备用电源。固体高分子型燃料电池通常具有在膜电极接合体(MEA:MembraneElectrodeAssembly)的两个面上分别依次层叠一对气体扩散层及金属隔膜而成的基本结构。将该基本结构称为“单电池”。膜电极接合体具有具备质子传导性的固体电解质膜被一对电极催化剂层即阳极侧电极催化剂层及阴极侧电极催化剂层夹持的结构。电极催化剂层通常由负载催化剂及具有质子传导性的离聚物构成，其中，负载催化剂是在具有导电性的载体上负载促进燃料电池反应的催化活性物质而成的。在阳极侧供应包含氢气的燃料气体，在阴极侧供应包含氧气的氧化剂气体，在各自的电极催化剂层上的催化活性物质上形成的三相界面内进行下述化学反应式所示的反应，固体高分子型燃料电池由此发电。[化学式1]H2→2H++2e-(阳极侧)(1)作为这样的固体高分子型燃料电池，例如，专利文献1中公开了一种燃料电池用催化剂，该燃料电池用催化剂包含碳质材料、作为固体高分子电解质的阳离子交换树脂、及催化剂金属粒子，催化剂金属粒子主要负载于碳质材料与阳离子交换树脂的质子传导路径的接触面。并且，通过使阳离子交换树脂的厚度(A)及催化剂金属粒子的粒径(B)满足B≤A≤B×1.2的关系，提高催化剂金属的利用率，且得到较高的输出及优异的耐久性能。但是，专利文献1中公开的燃料电池用催化剂中电力的输出仍然不充分，需要进一步改善。另外，专利文献2中公开了一种满足0.8≤(F/C)S/(F/C)W≤1.2的关系的含氟碳粒子，(其中，(F/C)S为含氟碳粒子的外表面上的氟原子的原子数相对于碳原子的原子数的比，(F/C)W为含氟碳粒子的整体中的氟原子的原子数相对于碳原子的原子数的比)。根据该专利文献2，在由含氟碳粒子构成的载体上负载铂，通过使用由此得到的燃料电池用催化剂，得到了发电性能高，即使反复进行燃料电池的启动及停止，发电性能也不易降低的燃料电池。但是，即使是在使用专利文献2中公开的含氟碳粒子的燃料电池用催化剂中，发电性能仍然不充分，需要进一步改善。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2012-79489号公报专利文献2：国际公开WO2016/190248号
技术实现思路
专利技术所要解决的问题本专利技术是鉴于所述问题点而成的，其目的在于，提供一种电力的输出特性高，抑制由启动、停止或负载变动导致的发电性能的降低的燃料电池用催化剂、其制造方法、燃料电池用膜电极接合体及具备其的燃料电池。用于解决问题的技术方案为了解决所述的技术问题，本专利技术中的燃料电池用催化剂至少具有催化活性物质、及负载所述催化活性物质的载体，所述催化活性物质为选自铂、铂合金、及用包含铂的壳包覆与铂不同的金属的核而成的核壳催化剂中的至少一种，所述载体为碳材料，所述催化活性物质及所述载体中的至少任一者包含氟原子。在所述构成中，优选地，所述催化活性物质及所述载体中的至少任一者中所含的所述氟原子的原子数相对于所述载体中所含的碳原子的原子数的比满足下式(1)所示的关系。(F/C)S/(F/C)W<0.8···(1)其中，(F/C)S表示燃料电池用催化剂的表面上的氟原子的原子数相对于碳原子的原子数的比，(F/C)W表示燃料电池用催化剂的整体中的氟原子的原子数相对于碳原子的原子数的比。在所述构成中，优选地，所述(F/C)S低于0.4。在所述构成中，优选地，所述碳材料为选自石墨、氧化石墨、炭黑、石墨化炭黑、类金刚石碳、富勒烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米角、碳纳米墙、碳纳米纤维、碳纳米刷、单层石墨烯、多层石墨烯、及氧化石墨烯中的至少一种。为了解决所述的技术问题，本专利技术中的燃料电池用膜电极接合体至少具有固体高分子电解质膜、及配置于该固体高分子电解质膜的两个表面上的电极催化剂层，所述电极催化剂层至少具有如上所述的燃料电池用催化剂、及覆盖该燃料电池用催化剂的离聚物。在所述构成中，所述离聚物可以为氟类树脂。另外，在所述构成中，所述离聚物可以为芳烃树脂。另外，在所述构成中，所述离聚物可以为离子液体。为了解决所述的课题，本专利技术中的燃料电池具备所述燃料电池用膜电极接合体。专利技术效果根据本专利技术，能够提供一种催化剂活性高，能够通过提高氧还原反应来提高电力的输出特性，另外还可以抑制由启动、停止及负载(变动)的响应导致的发电性能的劣化的燃料电池用催化剂、其制造方法、燃料电池用膜电极接合体及燃料电池。附图说明图1是表示本专利技术的实施方式中的单个单电池结构的燃料电池的示意性剖视图。具体实施方式(燃料电池用催化剂)本实施方式中的燃料电池用催化剂具有负载体的结构，负载体至少具有催化活性物质、及负载该催化活性物质的载体。另外，催化活性物质及载体中的至少任一者包含氟原子。本实施方式的燃料电池用催化剂能够适当地用于固体高分子型燃料电池等。<载体>首先，对构成燃料电池用催化剂的载体进行说明。在本说明书中，“载体”表示为了在阳极侧电极催化剂层和/或阴极侧电极催化剂层(以下，有时也简称为“电极催化剂层”)中抑制催化活性物质过度凝聚等而使用的电子导电性物质。本实施方式的载体由碳材料构成。作为碳材料，没有特别限定，例如，可举出：活性炭、炭黑、石墨化炭黑、硬碳、软碳、介孔碳、天然石墨、人造石墨、类金刚石碳、富勒烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米角、碳纳米墙、碳纳米纤维、碳纳米刷、单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯等。它们能够单独使用一种或并用两种以上。从导电性、化学稳定性、容易获得性的观点出发，优选为炭黑、石墨化炭黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、单层石墨烯、多层石墨烯。所述碳材料的比表面积只要为足以使所述催化活性物质高分散负载的比表面积即可，具体而言，优选为10～1500m2/g，更优选为30～1200m2/g，特别优选为50～1000m2/g。通过使所述比表面积为10m2/g以上，催化活性物质大量负载于载体，燃料电池的性能提高。另一方面，通过使所述比表面积为1500m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用催化剂，其特征在于，至少具有催化活性物质、及负载所述催化活性物质的载体，/n所述催化活性物质为选自铂、铂合金、及用包含铂的壳包覆与铂不同的金属的核而成的核壳催化剂中的至少一种，/n所述载体为碳材料，/n所述催化活性物质及所述载体中的至少任一者包含氟原子。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180425 JP 2018-0841341.一种燃料电池用催化剂，其特征在于，至少具有催化活性物质、及负载所述催化活性物质的载体，
所述催化活性物质为选自铂、铂合金、及用包含铂的壳包覆与铂不同的金属的核而成的核壳催化剂中的至少一种，
所述载体为碳材料，
所述催化活性物质及所述载体中的至少任一者包含氟原子。


2.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂，其中，所述催化活性物质及所述载体中的至少任一者中所含的所述氟原子的原子数相对于所述载体中所含的碳原子的原子数的比满足下式(1)所示的关系，
(F/C)S/(F/C)W<0.8···(1)
其中，(F/C)S表示燃料电池用催化剂的表面上的氟原子的原子数相对于碳原子的原子数的比，(F/C)W表示燃料电池用催化剂的整体中的氟原子的原子数相对于碳原子的原子数的比。


3.根据权利要求2所述的燃料电池用催化剂，其中，所述(F/C)S低于0.4。


4....

【专利技术属性】
技术研发人员：近壮二郎，峰夏辉，佐藤良宪，山本雅士，西田哲郎，
申请(专利权)人：斯泰拉化工公司，
类型：发明
国别省市：日本;JP