燃料电池催化剂、膜电极组件和固体聚合物电解质燃料电池制造技术

本发明专利技术的主要目的是提供一种燃料电池催化剂，其中用于担载金属催化剂的载体本身具有导电性，并且该燃料电池催化剂可以防止金属催化剂在燃料电池长期使用过程中团聚。在本发明专利技术中，上述目的如下实现：提供用于固体聚合物电解质燃料电池的阴极侧催化剂电极层的燃料电池催化剂，其包含金属催化剂和钙钛矿型复合氧化物（ＡＢＯ↓［３］）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及能够防止金属催化剂团聚的燃料电池催化剂，并且涉及使用这种燃料电池催化剂的膜电极组件和固体聚合物电解质燃料电池。
技术介绍
作为固体聚合物电解质燃料电池(下文中也简称为“燃料电池”)的最小发电单元，单元电池通常包括：膜电极组件，其包括固体电解质膜和与所述固体电解质膜两侧结合的催化剂电极层(阳极侧催化剂电极层和阴极侧催化剂电极层)；设置在所述膜电极组件两侧的气体扩散层；以及设置在所述气体扩散层外侧的隔离器。这样的用于燃料电池的催化剂电极层的催化剂通常包括碳载体(具有导电功能)和金属催化剂(例如担载在所述碳载体表面上的Pt)。专利文献1还公开了例如Pt的金属催化剂担载在主要由SiO2构成的载体的表面上。然而，在专利文献1中，由于SiO2本身并不具有导电性，因此可能会延缓Pt中的电化学反应，从而降低发电效率。当碳或SiO2用作载体时，还存在如下问题：载体与实现催化功能的金属催化剂(例如Pt)之间的相互作用较弱，因此在燃料电池的长期使用过程中，金属催化剂发生团聚而减小了金属催化剂的表面积，从而降低发电效率。专利文献1：日本专利申请早期公开(JP-A)No.2002-246033专利文献2：JP-A No.2004-95263专利文献3：JP-A No.2002-246034本专利技术正是考虑到上述问题而完成的，本专利技术的主要目的是提供一种燃料电池催化剂，其中用于担载金属催化剂的载体本身具有导电性，并且-->该燃料电池催化剂可以防止金属催化剂在燃料电池长期使用过程中团聚。
技术实现思路
为了实现上述目的，本专利技术提供了一种在固体聚合物电解质燃料电池的阴极侧催化剂电极层中使用的燃料电池催化剂，其包含具有催化活性的金属催化剂和钙钛矿型复合氧化物(ABO3)。根据本专利技术，燃料电池催化剂包括钙钛矿型复合氧化物(ABO3)，所述钙钛矿型复合氧化物可对金属催化剂具有强的相互作用，从而抑制金属催化剂的团聚。此外，钙钛矿型复合氧化物本身具有导电性，因此其可以高效地传递电子，从而促进电化学反应。在上述专利技术中，优选的是，钙钛矿型复合氧化物(ABO3)在B位点具有晶格缺陷部分，并且金属催化剂的金属离子位于所述晶格缺陷部分。这是因为，当金属催化剂的金属离子结合到钙钛矿型复合氧化物的晶格缺陷部分中时，金属离子可被固定，因此可以在燃料电池长期使用过程中抑制金属催化剂的团聚。在上述专利技术中，优选的是，金属催化剂是铂。这是因为，铂可对氧气表现出优异的催化功能。本专利技术还提供了膜电极组件，其中，固体电解质膜被夹在阳极侧催化剂电极层与阴极侧催化剂电极层之间，其中所述阴极侧催化剂电极层包含上述燃料电池催化剂。本专利技术还提供了包括上述膜电极组件的固体聚合物电解质燃料电池。根据本专利技术，阴极侧催化剂电极层包含上述燃料电池催化剂。通过将该燃料电池催化剂用于制造膜电极组件或固体聚合物电解质燃料电池，可以在燃料电池的长期使用过程中抑制金属催化剂的团聚，从而可以抑制发电效率的降低。本专利技术还提供了装备燃料电池的包含上述膜电极组件的机动车，其中，在阴极侧催化剂电极层中重复氧化气氛和还原气氛。专利技术效果-->本专利技术的燃料电池催化剂的优点在于：用于担载金属催化剂的钙钛矿型复合氧化物本身具有导电性，因此其可以高效地传递电子；并且金属催化剂与钙钛矿型复合氧化物之间的相互作用较强，因此可以在燃料电池的长期使用过程中防止金属催化剂团聚。附图说明图1为钙钛矿型复合氧化物的晶体结构示意图；图2为具有晶格缺陷部分的钙钛矿型复合氧化物的晶体结构示意图。在附图中，参考标号1表示A离子，参考标号2表示B离子，参考标号3表示氧离子，参考标号4表示晶格缺陷部分。具体实施方式下面分别阐述本专利技术的燃料电池催化剂、膜电极组件和固体聚合物电解质燃料电池。A.燃料电池催化剂首先阐述本专利技术的燃料电池催化剂。本专利技术的燃料电池催化剂可用于固体聚合物电解质燃料电池的阴极侧催化剂电极层，并且包含具有催化活性的金属催化剂以及钙钛矿型复合氧化物(ABO3)。除了应当包括下文所述的金属催化剂和钙钛矿型复合氧化物(ABO3)以外，对本专利技术的燃料电池催化剂并没有特别限制。其实例包括其中金属催化剂担载在钙钛矿型复合氧化物上的燃料电池催化剂。特别地，金属催化剂的全部或部分优选结合在钙钛矿型复合氧化物的结构中。具体地，优选的是，钙钛矿型复合氧化物(ABO3)在B位点具有晶格缺陷部分，并且金属催化剂的金属离子位于所述晶格缺陷部分。这是因为，当金属催化剂的金属离子被结合到钛矿型复合氧化物的晶格缺陷部分中时，金属离子可被固定，因此抑制了燃料电池长期使用过程中的金属催化剂的团聚。此外，钙钛矿型复合氧化物本身具有导电性，因此其可以高效地传递电子，从而可促进电化学反应。-->下面阐述本专利技术的燃料电池催化剂的各个部件。(1)钙钛矿型复合氧化物首先阐述用于本专利技术的钙钛矿型复合氧化物。钙钛矿型复合氧化物的组成为ABO3(其中A和B是不同的金属离子)，并且具有如图1所示的晶体结构，A离子1位于由8个B离子2构成的立方体的中心，而每个B离子2位于由6个氧离子3构成的八面体的中心，并且彼此共有一个顶点的八面体沿着x、y和z轴三维连接。一般地，A离子是具有较大离子半径的金属离子，而B离子是具有较小离子半径的金属离子。在本专利技术中，A离子在钙钛矿型复合氧化物晶体结构中的位置被称为“A位点”，B离子的位置被称为“B位点”。在本专利技术中，钙钛矿型复合氧化物优选在B位点具有晶格缺陷部分。例如图2所示，这样的钙钛矿型复合氧化物在B位点具有晶格缺陷部分4。用于本专利技术的钙钛矿型复合氧化物的平均粒子尺寸通常为20nm～2μm，优选20nm～1μm，更优选20nm～300nm。当平均粒子尺寸处于上述范围时，通过使用本专利技术的燃料电池催化剂与下文描述的Nafion(商品名，Du Pont制造)等的混合物，可以得到具有良好孔结构的催化剂电极层。钙钛矿型复合氧化物优选在全部B位点中的0～30％、更优选1～10％、还更优选3～5％处具有晶格缺陷部分。当上述范围的B位点存在晶格缺陷部分时，可以充分地保持钙钛矿结构，从而可以抑制由于热效应引起的造成Pt粒子尺寸增大的迁移。对于构成用于本专利技术的钙钛矿型复合氧化物的金属元素没有特别限制，只要其能够构成钙钛矿型复合氧化物。这样的金属元素的实例包括：稀土元素，例如La、Ce和Y；碱土元素，例如Ba、Ca和Sr；以及第一族过渡金属元素，例如Co、Mn、Ni、Ti和Fe。特别地，优选的是La、Ba、Sr、Co和Ni，更优选的是La、Sr和Co。对于包含上述金属元素的钙钛矿型复合氧化物没有具体限制，只要其含有上述金属元素。这样的钙钛矿型复合氧化物的实例包括LaCoxO3(0.95≤x≤0.97)和La1-ySryCoxO3(0.95≤x≤0.97，0.2≤y≤0.4)。特别-->地，考虑到导电性，LaCoxO3(0.95≤x≤0.97)是优选的。对于用于本专利技术的钙钛矿型复合氧化物的制备方法并没有特别限制，只要其可以制备钙钛矿型复合氧化物。钙钛矿型复合氧化物的制备方法的实例包括如下方法：将含有用于产生A离子的金属元素的金属盐(A离子源)和含有用于产生B离子的另一种金属元素的另一种金属盐(B离子源)溶解在溶剂(例如水)中；向该水溶液中添加具有螯合作用的化本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于固体聚合物电解质燃料电池的阴极侧催化剂电极层的燃料电池催化剂，其包含具有催化活性的金属催化剂和钙钛矿型复合氧化物（ＡＢＯ↓［３］）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2005-2-24 049645/20051.用于固体聚合物电解质燃料电池的阴极侧催化剂电极层的燃料电池催化剂，其包含具有催化活性的金属催化剂和钙钛矿型复合氧化物(ABO3)。2.如权利要求1的燃料电池催化剂，其中所述钙钛矿型复合氧化物(ABO3)在B位点具有晶格缺陷部分，并且所述金属催化剂的金属离子位于所述晶格缺陷部分。3.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：关泽好史，中西治通，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]