用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂和使用所述催化剂的直接型燃料电池的阴极和直接型燃料电池制造技术

本发明专利技术提供了用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，即使当发生燃料化合物的穿越时，所述催化剂选择性地促进氧还原反应。所述用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂在包含用于所述直接型燃料电池的燃料化合物的电解液中表现出氧还原催化活性，并且实质上不显示对所述电解液中的燃料化合物的氧化进行催化的活性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂和使用所述碳催化剂的用于直接型燃料电池的阴极和直接型燃料电池，并且更具体地涉及即使当发生燃料化合物的穿越(crossover)时,仍能够选择性促进氧还原反应的碳催化剂。
技术介绍
直接型燃料电池(DFC)已知是众多燃料电池类型中的一种。例如，利用甲醇作为燃料化合物的直接型甲醇燃料电池(DMFC)具有高能量密度，并且预期作为下一代小型能源。DMFC中的化学反应如下阳极反应CH30H+H20 — 6H+6e_+C02 ;阴极反应I. 502+6H+6e_ — 3H20 ;和总反应CH30H+1. 502 — 2H20+C02。 但是，所谓的甲醇穿越(MCO)的现象成为难题，其中供至阳极的甲醇在阳极反应中反应不完全，并且未反应的甲醇穿过质子传导电解质膜而移动至阴极。通常，钼催化剂被用作用于DMFC的阴极催化剂。钼催化剂不但促进氧还原反应，而且促进甲醇氧化反应。因此，发生穿越的甲醇也造成阴极中的甲醇氧化反应，这明显降低了 DMFC的产能性能。鉴于以上，通常已将钼和仅促进氧还原反应的其他贵金属，例如钯(Pd)和钌(Ru)组合用作阴极催化剂(参见，例如专利文献I和2)。 JP 2OO8-I3538OA JP 2004-253385A
技术实现思路
技术问题但是，在例如使用贵金属催化剂的现有技术中，存在以下问题归因于电解反应而在电极表面上产生的氧化物包覆膜和金属溶出导致所得到的电流值逐步下降。还存在例如归因于贵金属的使用的成本上升和有关贵金属沉积量的限制的问题。还存在用合金催化剂而不使用任何贵金属催化剂的实例。但是，难以充分避免金属溶出的问题，并难以得到充分的氧还原活性。完成本专利技术以解决所述问题，本专利技术的目的是提供用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，即使当燃料化合物，例如甲醇发生穿越时，其能选择性地促进氧还原反应，还提供使用所述碳催化剂的用于直接型燃料电池的阴极和直接型燃料电池。解决技术问题的技术手段为了达到该目的，根据本专利技术的一个实施方案的用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂是用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，其用于直接型燃料电池的阴极，所述碳催化剂在包含用于所述直接型燃料电池的燃料化合物的电解液中表现出氧还原催化活性，并且实质上不显示对所述电解液中的所述燃料化合物的氧化进行催化的活性。根据本专利技术，提供了用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，即使当发生燃料化合物的穿越时，所述催化剂选择性地促进氧还原反应。此外，在将所述碳催化剂用于三电极系统的工作电极的线性扫描伏安法中，使用以O. 25mol/L的浓度包含所述燃料化合物的氧饱和的电解液，在25°C以lmV/sec的扫描速度进行扫描时的O. 7V (vs. NHE)的电势下的还原电流为-O. 6mA/cm2或更低。此外，在将所述碳催化剂用于三电极系统的工作电极且在25 °C下进行的循环伏安法中，在使用包含所述燃料化合物的氮饱和的电解液的情况下，在O. 6V(vs. NHE)-I. OV(vs.NHE)的电势的范围内，所述碳催化剂可不表现出会对所述碳催化剂的氧还原催化活性产生影响的对于所述燃料化合物的氧化进行催化的活性。此外，在将所述碳催化剂用于三电极系统的工作电极的线性扫描伏安法中，使用包含所述燃料化合物的氧饱和的电解液，在25°C以lmV/sec的扫描速度进行扫描时的O. 7V(vs. NHE)的电势下的还原电流可以基本上不依赖所述电解液中所包含的所述燃料化合物的浓度。此外，所述燃料化合物可包括醇类。为了达到该目的，根据本专利技术的一个实施方案的用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂是用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，其用于直接型燃料电池的阴极并具有氧还原催化活性，其中在将所述碳催化剂用于三电极系统的工作电极的线性扫描伏安法中，使用以O. 25mol/L的浓度包含用于直接型燃料电池的所述燃料化合物的氧饱和的电解液，在25°C以lmV/sec的扫描速度进行扫描时的O. 7V(vs.NHE)的电势下的还原电流可以为-O. 6mA/cm2或更低。根据本专利技术，提供了用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，即使当发生燃料化合物的穿越时，所述催化剂选择性地促进氧还原反应。为了达到该目的，根据本专利技术的一个实施方案的用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂是用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，其用于直接型燃料电池的阴极并具有氧还原催化活性，其中在将所述碳催化剂用于三电极系统的工作电极且在25°C下进行的循环伏安法中，在使用包含所述燃料化合物的氮饱和的电解液的情况下，在O. 6V(vs.NHE)-I. OV(vs. NHE)的电势的范围内，所述碳催化剂不表现出会对所述碳催化剂的氧还原催化活性产生影响的对所述燃料化合物的氧化进行催化的活性。根据本专利技术，提供了用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，即使当发生燃料化合物的穿越时，所述催化剂选择性地促进氧还原反应。此外，所述碳催化剂可以是通过碳化包含含氮有机物质和金属的原料而得到的碳催化剂。在该情况下，所述原料还包含导电性碳材料。此外，所述碳催化剂可以是通过对经碳化所述原料而得到的经碳化的材料施加金属去除处理，并随后对所述经碳化的材料施加热处理而得到的碳催化剂。此外，所述碳催化剂可以是通过对碳化所述原料而得到的经碳化的材料施加金属浸溃处理，并随后对所述经碳化的材料施加热处理而得到的碳催化剂。为了达到该目的，根据本专利技术的一个实施方案的用于直接型燃料电池的阴极包含所述碳催化剂。根据本专利技术，提供了用于直接型燃料电池的阴极，即使当发生燃料化合物的穿越时，所述催化剂选择性地促进氧还原反应。为了达到该目的，根据本专利技术的一个实施方案的直接型燃料电池包括包含任一种所述碳催化剂的阴极。根据本专利技术，提供了直接型燃料电池，即使当发生燃料化合物的穿越时，在所述电池的阴极中选择性地进行氧还原反应。本专利技术的有益效果根据本专利技术提供了用于直接型燃料电池的阴极的碳催化剂，即使当发生燃料化合物的穿越时，所述催化剂选择性地促进氧还原反应，并提供了使用所述碳催化剂的用于直接型燃料电池的阴极和直接型燃料电池。附图说明是显示在使用根据本专利技术的一个实施方案的碳催化剂和使用甲醇作为燃料化合物的循环伏安法中得到的伏安图的实例的示意图。是显示在使用钼催化剂和使用甲醇作为燃料化合物的循环伏安法中得到的伏安图的实例的示意图。 是显示在使用根据本专利技术的一个实施方案的碳催化剂和钼催化剂，并使用甲醇作为燃料化合物的线性扫描伏安法中得到的伏安图的实例的示意图。是以放大状态显示图2A的部分的示意图。是显示通过检测使用根据本专利技术的一个实施方案的碳催化剂和钼催化剂，并使用甲醇作为燃料化合物的线性扫描伏安法中的还原电流所得结果的实例的示意图。是显示在使用根据本专利技术的一个实施方案的碳催化剂，并使用乙醇作为燃料化合物的循环伏安法中得到的伏安图的实例的示意图。是显示使用钼催化剂，并使用乙醇作为燃料化合物的循环伏安法中得到的伏安图的实例的示意图。是显示在使用根据本专利技术的一个实施方案的碳催化剂和钼催化剂，并使用乙醇作为燃料化合物的循环伏安法中得到的伏安图的另一实例的示意图。是显示在使用根据本专利技术的一个实施方案的碳催化剂和钼催化剂，并使用乙醇作为燃料化合物的线性扫描伏安法中得到的伏安图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：岸本武亮，小林里江子，尾崎纯一，
申请(专利权)人：日清纺控股株式会社，国立大学法人群马大学，
类型：
国别省市：