[发明专利]用于燃料电池的电极催化剂和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的电极，其对于高电流密度负载区中的溢流具有抑制效果，本发明还涉及一种具有优越的耐用性能的燃料电池。

背景技术

在这样的燃料电池中，即，在所述燃料电池中，使具有氢离子选择渗透性的固体聚合物电解质隔膜以气密方式粘接到其上层叠有催化剂负载载体的电极催化剂层，以及其中通过一对具有气体扩散性的电极将具有该电极催化剂层的固体聚合物电解质隔膜夹在其中，根据它们的极性，在夹有该固体聚合物电解质隔膜的两个电极(阳极和阴极)中进行有下面的反应式表示的电极反应，从而获得电能。

阳极(氢极)：H₂→2H⁺+2e^-             (1)

阴极(氧极)：2H⁺+2e^-+(1/2)O₂→H₂O    (2)

当增湿氢气或包含氢气的燃料气体穿过气体扩散层到达催化剂层或者阳极的集电器时，发生反应式(1)的反应。通过反应式(1)的反应在阳极产生的氢离子“H⁺”随水分子渗透(扩散)穿过固体聚合物电解质隔膜，然后向阴极移动。同时，在阳极产生的电子“e^-”穿过催化剂层、气体扩散层(集电器)，然后到达经外部电路连接到阳极和阴极的负载，从而向阴极移动。

同时，在阴极，包含增湿氧气的氧化剂气体通过气体扩散层之后到达催化剂层，或者到达阴极的集电器。然后，氧气接收已经通过外部电路、气体扩散层(集电器)以及催化剂层的电子，从而通过反应式(2)的反应被还原。而且，还原后的氧气结合到质子“H⁺”，该质子已经从阳极穿过电解质隔膜，从而产生水。一些产生的水因浓度梯度而通过电解质隔膜，向燃料电极扩散和移动，然后部分蒸发以扩散通过催化剂层和气体扩散层，到达气体通道，从而随未参加反应的氧化剂气体释放。

同样，在阴极和阳极侧，因水聚集而产生溢流现象，从而导致电力产生性能降低。

然而，减小燃料电池系统的尺寸本质上需要在高电流密度负载区获得高输出。例如日本专利公开(Kokai)No.2003-24798A的参考文献公开了利用铂和过渡金属元素构成的二元或三元合金催化剂来检测高电流密度负载区中的性能。

为了改进传统上用于燃料电池等的铂催化剂的催化剂性能，向催化剂添加第二和第三金属盐，然后对所得物进行热处理，从而产生铂合金催化剂，以及模制出铂合金催化剂，因此使得获得的催化剂可以随后在电极中使用。通过这样，可以增强电极性能方面的初始特性。然而，使用寿命测试期间的压降抑制已经被限制为大约15毫伏/1000小时。因此，不能获得5毫伏/1000小时的希望水平，这成为一个问题。基于对这种问题的多种研究，发现一些第二和第三金属没有熔合到铂成为合金，因此在长期使用当中，这些金属会出现特性变化，导致产生压降，其中上述这些金属会单独出现在催化剂中，或者以第二和第三金属的合金的形式出现。因此，希望能够开发出一种解决上述问题的方法。

为了改进用于燃料电池的铂合金催化剂的性能，以及防止在长期使用期间出现压降，日本专利公开(Kokai)No.6-246160A(1994)公开了一种用于制造铂合金催化剂的方法，其中将第二和第三金属盐添加到铂催化剂中，对所得物进行热处理，从而产生铂合金催化剂，以及将该铂合金催化剂进行酸处理，以便溶解和萃取铂和未熔合的第二和第三金属，接着进行洗涤以及在不活泼气体中进行热干燥。

发明内容

关于日本专利公开(Kokai)No.2003-24798A等中公开的二元或三元合金催化剂，因高活化作用导致产生的水的量增加(溢流现象)而促使性能降低，这已经成为一个问题。