專利名稱：催化材料及使用它的電解質膜－電極接合體和燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用具有電極催化劑和陽極、電解質膜、陰極的電解質膜-電極接合體(MEAMembrane Electrode Assembly)的燃料電池。
背景技術：
燃料電池至少由固體或液體的電解質及可引起所希望的電化學反應的兩個電極、陽極和陰極構成，是把該燃料所具有的化學能通過電極催化劑的作用高效直接轉換成電能的發(fā)電機。對于燃料，使用由礦物燃料或水等化學變換的氫、在通常環(huán)境為液體或溶液的甲醇、作為堿氫化物和聯(lián)氨或加壓液化氣的二甲基醚，對于氧化劑氣體使用空氣或氧氣。
燃料在陽極被電化學氧化，在陰極氧被還原，在兩極間產生電位差。此時作為外部電路，在兩極間施加負荷時，電解質中產生離子的移動，在外部負荷產生電能。
在燃料電池中，使用液體燃料的直接型甲醇燃料電池(DMFCDirect Methanol Fuel Cell)和金屬氫化物、聯(lián)氨燃料電池由于燃料的體積能量密度高，所以作為小型可搬運或攜帶型電源很有效而受到矚目。其中，容易處理、在不久將來實現(xiàn)由生物生產的甲醇作為燃料的DMFC可以說是優(yōu)選的電源系統(tǒng)。
以提高上述的電極催化劑性能為目的的專利，有專利文獻1～3。
專利文獻特開2002-1095號公報專利文獻特開2002-305000號公報專利文獻特開2003-93874號公報

發(fā)明內容
在常溫附近使用的固體高分子型燃料電池中，作為促進電池反應的催化金屬必須使用Pt。一方面由于Pt價格高，在實用中減少其使用量成為大的課題。因此，一般地致力于把Pt作成小直徑顆粒負載于載體中，提高單位重量的比表面積。但是，進行催化反應的Pt原子只在表面露出，Pt原子表面被電解質覆蓋的催化金屬不進行催化反應。
本發(fā)明的目的是提供一種催化材料，其通過在增加可進行催化反應的催化金屬的同時實現(xiàn)提高催化金屬的利用效率，從而在減少Pt量的同時具有高的催化活性。另外還提供一種燃料電池，其通過采用在燃料電池中搭載有該催化材料的膜電極接合體而提高輸出密度。
在含有載體、催化金屬和與所述催化金屬不同的金屬及固體高分子電解質的燃料電池電極用催化材料中，在所述載體的表面形成所述固體高分子電解質和由與所述催化金屬不同的金屬構成的中間層，在露出所述中間層的表面具有存在所述催化金屬的構造。
發(fā)明效果本發(fā)明提供提高可進行催化反應的催化金屬的比例，具有高輸出密度的燃料電池。


圖1是表示本發(fā)明的燃料電池電源系統(tǒng)的一實施例的圖；圖2是表示本發(fā)明燃料電池構成的一實施例的圖；圖3是表示本發(fā)明的帶盒式座的燃料電池電源概貌的圖；圖4是表示本發(fā)明的催化材料構造模型的模式圖；圖5是表示本發(fā)明的MEA和擴散層構造的一實施例的圖；圖6是表示本發(fā)明的燃料電池概貌的一實施例的圖；圖7是表示在本發(fā)明的燃料室/陽極端板一體化的電源上配置MEA構造的一實施例的圖；圖8是表示搭載本發(fā)明的燃料電池的便攜式信息終端構造的一實施例的圖。
具體實施例方式
以下說明本發(fā)明的實施方式，但是，本發(fā)明不限于以下的實施方式，在以下的實施方式作為燃料使用甲醇，也可以使用氫和含有氫的氣體。
在用于本實施方式的以甲醇作為燃料的燃料電池1中，以以下所示的形式發(fā)電，即由電化學反應使甲醇所具有的化學能直接變換成電能。在陽極側供給的甲醇水溶液按(1)式進行反應離解成二氧化碳、氫離子和電子(甲醇的氧化反應)。
(1)生成的氫離子在電解質膜中從陽極移到陰極側，在陰極電極上從空氣中擴散來的氧氣和電極上的電子按(2)式進行反應，生成水(氧的還原反應)。
(2)從而，伴隨著發(fā)電的整個化學反應如(3)式所示甲醇由氧氧化，生成二氧化碳和水，化學反應式與燃燒甲醇相同。
(3)以下對本實施方式的燃料電池的實施例進行詳細說明。
圖1表示本實施例的電源系統(tǒng)的構成。電源系統(tǒng)由燃料電池1、燃料盒式罐2、輸出端子3及排氣口4構成。由排氣口4形成用于從燃料室12(圖2)排出在陽極側生成的二氧化碳。燃料盒式罐2是由高壓液化氣、高壓氣或彈簧等的壓力送出燃料的構造，在把燃料供給圖2所示的燃料室12的同時，形成由液體燃料使燃料室內維持比大氣壓高的壓力的系統(tǒng)。伴隨著發(fā)電，燃料室12的燃料消耗后，通過壓力從燃料盒式罐2補充消耗量的燃料。電池輸出采用通過直流/直流變換器5向負荷設備供給電力的方式，構成電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)具有控制器6，其得到與燃料電池1、燃料盒式罐2的燃料殘余量、直流/直流變換器5等運行時及停止時狀況有關的信號，控制直流/直流變換器5、設定為可根據(jù)需要輸出報警信號。另外，控制器6，根據(jù)需要可以在負荷設備顯示電池電壓、輸出電流和電池溫度等電源的運行狀態(tài)，在燃料盒式罐2的殘余量下降到規(guī)定值時或空氣擴散量超出規(guī)定范圍時，停止從直流/直流變換器5向負荷供給電力并同時開動音響、聲音、警燈或文字表示等的異常警報。在正常運行時也可以接受燃料盒式罐2的燃料殘余量信號，可以在負荷設備顯示燃料殘余量。
圖2是表示本發(fā)明一實施例的燃料電池部件構成的圖。燃料電池1在具有燃料盒式座14的燃料室12及其一個側面按順序依次層疊陽極端板13a、墊圈17、帶擴散層的MEA11、墊圈17、陰極端板13c，在燃料室12的另一個側面按順序依次層疊陽極端板13a、墊圈17、帶擴散層的MEA11、墊圈17、陰極端板13c，用螺絲15(圖3)把上述層疊體固定為一體，構成使其面內的壓力大體均勻。
圖3是表示燃料電池1的概貌，該燃料電池1在層疊、固定的燃料室的兩面具有在平面上單面并列6片帶擴散層的MEA11的發(fā)電部。燃料電池1構成在燃料室12的兩面串連連接多個單電池，所述兩面串連單電池組再由連接端子16串連連接，從輸出端子3輸出電力。
燃料室12的材料在安裝MEA時為平滑的，以均勻地施加面壓，只要設置成絕緣的結構，使在面內設置的多個電池相互不發(fā)生短路就沒有特別的限制?？梢允褂酶呙芏染勐纫蚁⒏呙芏染垡蚁?、高密度聚丙烯、環(huán)氧樹脂、聚醚醚酮類、聚醚砜類、聚碳酸脂或把這些物質作成強化玻璃纖維的物質。另外，使用以碳素板或鋼、鎳、其它重量輕的鋁、鎂等的合金材料，或以銅-鋁等為代表的金屬間化合物以及各種不銹鋼，可以使用使表面成為絕緣體的方法和涂敷樹脂而使其絕緣的方法。
另外，構成陽極端板13a的絕緣性片只要是可以保證絕緣性、平面性的材料沒有特別的限制。可以使用高密度聚氯乙烯、高密度聚乙烯、高密度聚丙烯、環(huán)氧樹脂、聚醚醚酮類、聚醚砜類、聚碳酸脂和聚亞胺系列樹脂或把這些物質作成強化玻璃纖維的物質。
陰極端板13c設置用于使燃料電池部件形成一體、緊固的螺釘孔。
構成本發(fā)明實施方式的MEA的陽極催化劑可以是在碳類粉末的載體分散承載鉑和釕的混合金屬或鉑/釕合金的粒子的材料，作為陰極催化劑可以是在碳類的載體中分散承載鉑微粒的材料，同時是容易制造可利用的材料。
但是，在現(xiàn)有的單一組成的微粒中，因為不在載體表面露出的鉑原子不進行催化反應而浪費掉。表面原子的比例雖隨直徑顆粒小而增大，但即使是粒徑為2nm的微粒表面原子的比例也為50％左右，實際在載體表面露出的原子比例為30％以下。
在此，對燃料電池電極用高性能催化材料進行說明。該催化材料在載體表面設置與催化金屬不同的金屬中間層，通過在中間層表面把催化金屬以原子層水平進行超微量析出，可以大幅提高可進行反應的催化金屬原子的比例，降低催化金屬的使用量，同時具有高催化活性。
圖4(A)是表示本發(fā)明實施方式的燃料電池電極用催化材料優(yōu)選構造模型的一例。在此，催化材料有催化金屬53、中間層54、固體高分子電解質55和載體56。
在燃料電池電極用催化材料中，催化金屬、固體高分子電解質和燃料擴散路線共存，所謂存在三相界面是重要的。因此，如圖4(A)所示，中間層54設置成與固體高分子電解質55和載體56雙方接觸，進而，在中間層54的表面存在以單原子層水平析出的催化金屬53作為催化材料最優(yōu)選。作為圖4(A)所示的中間層54的制作方法，優(yōu)選的是采用電鍍。在混合固體高分子電解質55和載體56而作成的電極，通過電鍍作為中間層的金屬，由于固體高分子電解質55的電子傳導性不足，所以可以只在電子導電性高的載體56的表面設置中間層54。
圖4(B)是表示設想圖4(A)之外的催化材料構造模型的一例。在圖4(B)中，一部分中間層54埋設在固體高分子電解質55的內部。因為催化金屬53只設置在表面露出的中間層54的表面，所以圖4(B)比圖4(A)更多地浪費中間層54，在成本方面很差。但是，作為中間層54的制作方法因為可以使用無電解電鍍和承載納米粒子等，在制作工藝方面自由度高。例如，通過把控制粒徑的金屬納米粒子和固體高分子電解質55混合，并同時承載在載體56上，可以以單獨的工藝設置中間層54。另外，因為用于中間層54的材料與用于催化金屬53的材料相比價格便宜，所以認為在總成本上來看圖4(B)更為有利。
對于形成催化金屬53的材料沒有特別的限制，在作為常溫使用的固體高分子型燃料電池的催化劑使用的情況優(yōu)選的是使用對于氫或甲醇氧化反應和氧還原反應催化活性極高的Pt或含有Pt的合金。特別在使用合金的情況下，因為由合金組成不同，催化活性有大的差異，所以在制作高活性催化劑時必須控制合金組成。有關合金的種類雖沒有特別的限制，但在作為固體高分子型燃料電池的陽極使用時，可以使用對CO氧化反應有助催化作用的Pt-Ru合金為宜。
因為Pt和Ru是貴金屬，催化材料的材料成本占大的比例，所以減少使用量成為大的開發(fā)課題。在本催化材料中，通過圖4(A)、(B)的構成，可以飛速地提高整個催化金屬量中可進行催化反應的催化金屬的比例。整個催化金屬量中可進行催化反應的催化金屬的比例根據(jù)催化金屬53的厚度變化，在單原子層為100％，既使在2～3原子層也為50％以上，可以認為比過去的催化材料有優(yōu)異的催化劑利用率。整個催化金屬量中可進行催化反應的催化金屬的比例的計算方法存在各種方法，以下所述方法最簡單。該方法通過組成分析求出催化金屬的重量后，通過化學氣體吸附測定法求出催化金屬的表面原子數(shù)進行計算而求出。
通過提高整個催化金屬量中可進行催化反應的催化金屬的比例，可以較少的Pt使用量實現(xiàn)高的催化活性。為此，Pt相對整個重量的比例為1～50wt％左右就足夠，從材料成本的觀點為10～30wt％更優(yōu)選。
作為Pt或含有Pt合金的析出方法，使用液相的電化學反應的方法從控制承載量、工藝簡單的觀點是優(yōu)選的。作為使用電化學反應的方法沒有特別地限制，例如可以列舉出把比Pt離子化傾向小的金屬材料作為中間層54通過置換電鍍析出Pt的方法、在中間層54的表面UPD析出賤金屬后置換Pt的方法、在中間層54的表面吸附氫等還原劑還原析出Pt的方法、使用被稱為Pt自然析出現(xiàn)象的方法等。
中間層54的材質沒有特別地限制，從容易制作、制作成本、穩(wěn)定性的觀點來看，金屬材料是優(yōu)選的。作為金屬材料優(yōu)選的例子可以列舉出Pd、Rh、Ir、Ru、Os、Au、Ag、Ni、Co。特別對于固體高分子型燃料電池用電極材料，耐酸性優(yōu)良的Pd、Rh、Ir、Ru、Os、Au是優(yōu)選的。另外，通過改良固體高分子電解質，將來使用材料成本更低的Ag、Ni是優(yōu)選的。
中間層54為承擔電子在催化金屬53流動，必須與載體56接觸。在本實施方式中，是進行物理吸附。優(yōu)選的是為提高中間層54的穩(wěn)定性與載體表面的官能團進行化學結合是優(yōu)選的。
中間層54的形狀沒有特別的限制，多結晶體、單結晶體和非晶體中的任一個都可以。作為中間層54使用的金屬的比例，若過少則比表面積不充分，過多從材料成本的觀點不利。因此，作為中間層54使用的金屬的比例相對催化材料總重量為10～60wt％是優(yōu)選的，30～60wt％是更優(yōu)選的。
在使用燃料電池電極用催化材料時，固體高分子電解質55必須具有高的質子導電性。具有高的質子導電性的固體高分子電解質的種類有在主鏈導入氟的固體高分子電解質。特別是以聚全氟苯乙烯磺酸、聚全氟碳類磺酸為代表的磺酸化的氟系聚合物。但是，由于氟系固體高分子電解質材料成本高，為實際應用燃料電池，使用成本較低的在主鏈中不導入氟的烴系固體高分子電解質是優(yōu)選的。特別是聚苯乙烯磺酸、磺酸化聚醚砜類、把磺酸化聚醚醚酮類等的烴系聚合物進行磺酸化的材料或把烴系聚合物進行烷基磺酸化的材料。在電解質膜使用氫離子導電材料時可以不受大氣中二氧化碳影響實現(xiàn)穩(wěn)定的燃料電池。如果使用這些材料作成電解質膜一般可以使燃料電池在80℃以下工作。另外，通過使用把鎢氧化物水合物、鋯氧化物水合物、錫氧化物水合物等氫離子導電性無機物微粒分散在耐熱性樹脂或磺酸化樹脂中的復合電解質膜等，可以得到在更高溫范圍工作的燃料電池。特別地，使用磺酸化的聚醚砜類、聚醚醚砜類或氫離子導電性無機物的復合電解質類與聚全氟碳磺酸類比較，燃料的甲醇的透過性低的電解質膜是優(yōu)選的。無論怎樣，使用氫離子傳導性好、甲醇的透過性低的電解質膜，會提高燃料的發(fā)電利用率，所以作為本實施例的效果，可以更高的水平實現(xiàn)結構緊湊和長時間的發(fā)電。
固體高分子電解質55為形成三相界面與載體56接觸是重要的。在本實施方式，由物理吸附進行接觸。作為固體高分子電解質55的含有量若過少則質子導電性下降，過多則燃料和反應生成物的擴散降低，所以在10～60wt％是優(yōu)選的。
在使用燃料電池電極用催化材料時，載體56從穩(wěn)定性、導電性、成本的觀點，優(yōu)選的是使用碳類材料。對于碳類材料的大小、形態(tài)沒有特別的限制，板狀、棒狀、多孔質體、粒狀、纖維狀的任一個都可以。作為種類，可以舉出例如多孔質碳片、碳紙、石墨、碳粉、碳黑、活性碳、碳纖維、碳納米管。
在載體56中使用碳類材料時，為導入與中間層54形成化學結合的官能團，優(yōu)選的是對碳類材料表面進行改性。表面改性方法的方式有很多種，具體的是，把碳類材料放進濃硝酸或過氧化氫中，通過過熱使其表面氧化的方法是簡便的。進而，把含有硫原子、氮原子、氧原子等強烈吸附金屬原子的官能團在碳類材料的表面進行修飾則更優(yōu)選。
圖5(a)是表示使用本發(fā)明實施例的MEA60構造的圖。在電解質膜61使用烷基磺酸化聚醚砜，在陽極電極62a作為碳載體(XC72Rキヤボツト公司制)使用鉑和釕，在陰極電極62c作為碳載體(XC72Rキヤボツト公司制)使用承載鉑的催化劑，在粘合劑使用與電解質膜的烷基磺酸化聚醚砜相同的高分子、比電解質膜磺酸化當量重量小的。通過這樣選擇粘合劑，可以使分散在電解催化劑中的電解質的水和甲醇的交叉量比電解質膜大，促進往電極催化劑上的燃料擴散，提高電極性能。
圖5(b)、圖5(c)是表示用于本發(fā)明的陰極擴散層70c和陽極擴散層70a構造的圖。陰極擴散層70c疏水性強，陰極附近的水蒸氣的氣壓高，由用于防止生成水蒸氣的擴散排氣和水的凝聚的疏水層72和多孔質碳極板71c構成，層積成疏水層72與陰極電極62c接觸。陽極擴散層70a和陽極電極62a的面接觸沒有特別的限定，可使用多孔質碳基板。在陰極擴散層70c的多孔質碳基板71c上使用導電性的多孔質材料。一般，使用碳纖維的織布或無紡布，例如作為碳纖維的織布使用碳布料(トレカクロス東麗制)和碳紙(東麗制TGP-H-060)等，疏水層72混合碳粉末和疏水性顆粒、疏水性原纖維或疏水性纖維，例如聚四氟乙烯等而構成。
陽極擴散層70a最好是滿足導電性和多孔質條件的碳纖維的織布或無紡布，例如作為碳纖維的織布使用碳布料(トレカクロス東麗制)和碳紙(東麗制TGP-H-060)。陽極擴散層70a的功能由于是促進水溶液燃料的供給和生成的二氧化碳的快速擴散，所以以下方法用于抑制在陽極生成的二氧化碳在多孔質碳基板71a內長成氣泡，提高燃料電池的輸出密度是有效的。這些方法為，使上述的多孔質碳基板71a緩慢氧化或照射紫外線等使表面親水化的方法、在多孔質碳基板71a分散親水性樹脂的方法、分散承載以氧化鈦等為代表的具有強親水性物質的方法。另外，陽極擴散層70a不限于上述材料，可以使用實際上電化學惰性的金屬系材料(例如，不銹鋼纖維無紡布、多孔質體、多孔質鈦、鉭等)多孔質材料。
以下，具體說明實施例和比較例示出的所述催化劑材料。在本實施例作為催化金屬使用鉑和釕的合金，但作為催化金屬不限于此，例如在DMFC的陰極可以使用具有鉑的催化金屬。
實施例1實施例1是使用本發(fā)明的DMFC電極用催化材料和其制作方法的一例。載體選擇碳黑，中間層選擇金，催化金屬選擇鉑。制作方法如下所示。
首先，在碳黑中施加5％的全氟磺酸溶液(アルドリツチ制)后，攪拌6小時，制成漿料。將該漿料涂布漿碳紙(東麗制)上進行干燥制成電極。另外，全氟磺酸的量調整至相對于碳黑為30wt％。接著，通過電鍍析出作為中間層的Au。電鍍液是無電解電鍍液。把電極浸漬在電鍍液后，邊攪拌邊進行電鍍，以恒定電流(1mA/cm2)在施加時間0.05秒、緩和時間10秒的條件使Au達到總質量的30wt％。
在Pt的原子層水平析出采用賤金屬UPD置換電鍍法。首先，把電析出Au的電極浸漬在含有10mM硫酸銅的硫酸溶液中，在從析出電位的10mV正電位側保持電位1～2分鐘進行UPD。UPD后，馬上把電極浸漬在含10mM氯化鉑酸的硫酸溶液中，在Au的表面通過置換UPD的Cu，析出Pt。溶液一直一邊攪拌一邊導入氮氣，除去溶液中的氧。
把在上述方法制成的電極進行ICP質量分析的結果，相對于電極總質量，Au的含有量為28wt％，Pt的含有量為7wt％(表1)。另外，為評價在表面露出的Pt的比例，在通過氫離子的吸附和脫離進行Pt的表面積測定后，判明相對于由ICP的測定結果計算的Pt的總原子數(shù)，100％的Pt原子在表面露出(表1)。從以上結果，可以確認在Au中間層超微量析出Pt的本發(fā)明的催化材料析出的所有Pt原子都具有催化劑功能。
實施例2～4實施例2～4是分別以Pd、Ir、Rh作為中間層的催化材料的例。除中間層以外，與實施例1同樣的條件制作。在表1表示實施例2～4的特性評價結果。其中任一個都與實施例1同樣顯示高的Pt利用效率。
實施例5實施例5是以Ag作為中間層的催化材料的例。在本實施例中，不進行Cu的UPD而把具有Ag中間層的電極浸漬在含有氯化鉑酸的硫酸溶液中，通過置換Ag析出Pt。在表1表示實施例5的特性評價結果。與實施例1同樣顯示高的Pt利用效率。
實施例6、7實施例6、7是作為載體取代碳黑使用碳纖維(昭和電工制VGCF)碳納米纖維的催化材料的例。除載體種類以外，與實施例1同樣的條件制作。在表1表示實施例6、7的特性評價結果。與實施例1同樣顯示高的Pt利用效率。
實施例8～10
實施例8～10是作為中間層的形成方式使用納米顆粒的催化材料的例。作為納米顆粒的種類任一個都使用自制的平均粒徑20nm、12nm的Au顆粒和平均粒徑為5nm的Pd納米顆粒。作為納米顆粒的載置方式，在含有10wt％納米顆粒的分散溶液中添加碳黑，攪拌5小時后，進行過濾和干燥。然后，通過使承載納米顆粒的碳黑與全氟磺酸混合，涂布在碳紙上而得到電極。作為納米顆粒的承載量，調整為每總質量的30wt％。對于Pt的析出方法，與實施例1同樣的條件制作。在表1表示實施例8～10的特性評價結果。確認納米顆粒的投入量幾乎都被承載。與實施例1同樣顯示高的Pt利用效率。
實施例11、12實施例11、12是全氟磺酸的添加量相對于碳黑為20％和50％的催化材料的例。除全氟磺酸量以外，以與實施例1同樣的條件制作。在表1表示實施例11、12的特性評價結果。與實施例1同樣顯示高的Pt利用效率。
比較例1比較例1是通過電鍍Pt在碳黑上析出的催化材料的一例。作為析出方法用與實施例1同樣的方法制作電極后，在以與形成中間層時的相同條件析出氯化鉑酸。Pt的承載量為30wt％。在表1表示特性評價結果。Pt的利用效率為9％。
比較例2比較例2是通過無電解電鍍Pt在碳黑析出的催化材料的一例。作為析出方法在含有氯化鉑酸的氫氧化鈉水溶液中分散碳黑，通過甲醛還原、析出。Pt的承載量為30wt％。在表1表示特性評價結果。Pt的利用效率為18％。
比較例3比較例3是在碳黑上載置Pt納米顆粒(平均粒徑2nm)的催化材料的一例。承載方法與實施例8～10相同。Pt的承載量為30wt％。在表1表示特性評價結果。Pt的利用效率為22％。
表1

實施例13用實施例1的方法制作超微量析出Pt以及PtRh的電極，并使用它們組裝成燃料電池。以下說明使用本發(fā)明催化材料的便攜式信息終端用DMFC的一實施例的圖。
圖6表示本發(fā)明的DMFC的概貌。該燃料電池1具有燃料室12、把圖中沒有示出的磺基甲基化聚醚砜作為電解質膜使用的MEA、夾著墊圈的陰極端板13c和陽極端板13a。MEA只安裝在燃料室12的一面。在該燃料室12的外周設置燃料供給管28和排氣口4。另外，陽極端板13a及陰極端板13c的外周部設置一對輸出端子3。電池組裝的構成與圖2所示部件構成相同，只是在燃料室一個面安裝發(fā)電部和燃料盒式座不作成一體化方面不同。作為材料，燃料室12使用高壓聚氯乙烯，陽極端板使用聚亞胺樹脂膜，陰極端板使用玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂。
圖7表示MEA的安裝布局和其剖面構造。在DMFC中，與燃料室12一體化的陽極端板13a的表面間隙部電極的尺寸是16mm×18mm，安裝12片大小為22mm×24mm的MEA。在圖7中沒有圖示的流動連接器與陽極端板13a的外表面連接，使與陽極端板表面在一個平面上，設置有分別用于串連連接MEA的互聯(lián)網(wǎng)51和輸出端子3。
這樣作成的電源尺寸是115mm×90mm×9mm。另外，構成組裝在該電源的DMFC的發(fā)電部的MEA通過作為催化材料使用實施例1中的催化材料，得到比現(xiàn)有的DMFC高的輸出。
實施例14圖8是表示在便攜式信息終端安裝實施例13作成的DMFC例。該便攜式信息終端呈折疊式構造，其用兼作燃料盒2的座的帶燃料盒式座的鉸鏈104連接以下兩部分，即一部分是內藏與觸摸面板式輸入裝置一體化的顯示裝置101和天線103；另一部分設置安裝燃料電池1、處理器、易消和不易消存儲器、電力控制部、燃料電池及二次電池混合控制燃料模擬等的電子設備和電子線路等的主板102和鋰離子二次電池106。
電源安裝部由隔壁105劃分，在下部放置主板102和鋰離子二次電池106，在上部設置有燃料電池1。在箱體的上部及側壁部設置用于擴散空氣和電池排氣的間隙22，在隔壁105設有吸水性速干材料108。
組裝在該便攜式信息終端構成DMFC的發(fā)電部的MEA，因為通過作為催化材料使用實施例1中的催化材料，得到比現(xiàn)有的DMFC高的輸出，所以可實現(xiàn)使要求的便攜式終端的最大輸出更大。
權利要求
1.燃料電池電極用催化材料，其含有載體、催化金屬和與所述催化金屬不同的金屬及固體高分子電解質，其特征在于，在所述載體的表面形成所述固體高分子電解質和由與所述催化金屬不同的金屬構成的中間層，在露出所述中間層的表面具有存在所述催化金屬的構造。
2.如權利要求1所述的燃料電池電極用催化材料，其特征在于，所述催化金屬與所述中間層形成金屬結合。
3.如權利要求1所述的燃料電池電極用催化材料，其特征在于，所述催化金屬是Pt或含有Pt的合金，其含有量相對于所述燃料電池電極用催化材料的總重量占1～50wt％。
4.如權利要求1所述的燃料電池電極用催化材料，其特征在于，所述中間層由從Pd、Rh、Ir、Ru、Os、Au、Ag、Ni、Co中選出的至少一種金屬構成。
5.如權利要求1所述的燃料電池電極用催化材料，其特征在于，所述中間層以物理吸附方式與所述載體結合，或與載體表面的官能團進行化學結合。
6.如權利要求1所述的燃料電池電極用催化材料，其特征在于，所述中間層的含有量相對于所述燃料電池電極用催化材料的總重量占10～60wt％。
7.如權利要求1所述的燃料電池電極用催化材料，其特征在于，通過化學氣體吸附測定法求出的所述催化金屬的原子數(shù)占所述燃料電池電極用催化材料中所含的催化金屬的原子數(shù)的50～100％。
8.如權利要求1所述的燃料電池電極用催化材料，其特征在于，所述固體高分子電解質具有質子導電性，與所述載體以物理吸附方式結合，所述固體高分子電解質的含有量占所述載體、所述催化金屬與所述固體高分子電解質合在一起的混合部分的總重量的10～60wt％。
9.如權利要求1所述的燃料電池電極用催化材料，其特征在于，所述載體具有碳類材料。
10.電解質膜-電極接合體，其具有陽極、陰極、所述陽極和所述陰極夾持的固體高分子電解質，其特征在于，所述陽極和/或所述陰極具有載體、催化金屬和與催化金屬不同的金屬及固體高分子電解質，在所述載體的表面形成所述所述固體高分子電解質和由與所述催化金屬不同的金屬構成的中間層，在露出所述中間層的表面存在所述催化金屬。
11.燃料電池，其把燃料供給電解質膜-電極接合體的陽極，把氧供給陰極進行發(fā)電，該電解質膜-電極接合體具有陽極、陰極、所述陽極和所述陰極夾持的固體高分子電解質，其特征在于，所述陽極和/或所述陰極具有載體、催化金屬和與催化金屬不同的金屬及固體高分子電解質，在所述載體的表面形成所述固體高分子電解質和由與所述催化金屬不同的金屬構成的中間層，在露出所述中間層的表面存在所述催化金屬。
12.如權利要求11所述的燃料電池，其特征在于，作為所述燃料使用氫和/或烴化合物。
全文摘要
為實現(xiàn)高性能和低成本的催化材料，必須提高催化金屬的利用效率。本申請的發(fā)明的目的是提供在減少Pt量的同時具有高催化活性的催化材料，其通過在載體表面設置中間層，在其表面以原子層水平析出催化金屬，實現(xiàn)飛躍地提高承載的催化金屬原子的利用率。另外，通過將其用于裝載在燃料電池的膜電極結合體，提供提高輸出密度的燃料電池。在載體表面承載的金屬中，在可進行催化反應的最表面以原子層水平析出催化金屬，從而使催化金屬原子的利用率最大化。
文檔編號H01M4/92GK1967917SQ20061014143
公開日2007年5月23日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權日2005年11月15日
發(fā)明者杉政昌俊, 赤星晴夫 申請人:株式會社日立制作所