[发明专利]燃料电池催化剂的载体

说明书

技术领域

本发明涉及低温酸性和碱性燃料电池，比如：在各电池里都使用了固体聚合物电解质膜的那些，其中在膜的每侧都具有包含催化剂的电极。更具体地，本发明涉及用于此类电池的催化剂载体材料。

发明背景

燃料电池是被开发用来产生动力(motive)和固定电能的电化学电池。一种燃料电池设计使用固体聚合物电解质(SPE)膜或者质子交换膜(PEM)，以在阳极和阴极之间提供离子转移。使用了能提供质子的气态和液态燃料。例子包括氢和甲醇，氢更受欢迎。氢供应给燃料电池的阳极，氧(作为空气)作为电池的氧化剂并被供应到电池的阴极。电极由多孔导电材料(如织造石墨、石墨化片或者碳纸)形成，以使燃料可以分散在面向燃料供应电极的膜表面上。每个电极都承载了经过细碎的、负载在碳颗粒上的催化剂颗粒(如：铂颗粒)，以促进氢在阳极的离子化和氧在阴极的还原。质子从阳极流经离子传导性的聚合物膜到达阴极，在那里他们与氧结合形成水，水从电池里排出。导体板移走在阳极形成的电子。

目前，PEM燃料电池的现有技术使用由全氟化的离聚物(如杜邦公司的Nafion)制备的膜。这种离聚物带有可电离的侧基(如：磺酸盐基团)以从阳极经膜向阴极传输质子。

一个阻碍大规模实施燃料电池技术的重大问题是在延长运行中和在正常汽车车辆运行中以及车辆停止/启动循环中的电力需求循环中性能的损失。本发明基于这样的认识：PEM燃料电池的相当一部分与氧还原电极催化剂的退化有关。这种退化可能是由于铂颗粒的生长、铂颗粒的溶解和碳载体材料的腐蚀而引起。电池里磺酸盐基团和水的存在产生了酸性环境，这种环境促使了各电池的电极中的上述变化。

已经发现，在电势高于1.2V时，碳会被严重腐蚀，和当电势低于1.2V时，在碳表面加入铂颗粒显著增大腐蚀速率。这些过程导致铂催化剂活性表面面积的损失，这又导致氧电极性能的损失。然而，循环实验显示：仅仅是氢吸附面积的损失并不能解释氧还原活性的损失。其他因素包括来自于吸附的OH物质的干扰和吸附的OH物质的可能的位置交换(这可以改变铂催化剂对氧还原的电催化性质)。因此，铂与催化剂负载体的特定相互作用可对铂电催化剂性能的稳定性有巨大影响。

发明概述

按照本发明，作为燃料电池阴极或者两个电极上使用的催化剂颗粒的载体材料的碳被取代。使用碳化钛和/或氮化钛是因为它们有合适的电导率(即：电阻率在3-300μΩcm)和出色的抗氧化性及耐酸腐蚀性。碳化钛和/或氮化钛催化剂载体材料，特别是作为纳米尺寸颗粒的独特性质，可以获得增强的催化行为以及提高的燃料电池电极的耐久性。他们显示出良好的抗酸性，所述酸比如是燃料电池环境中的硫酸。碳(优选碳颗粒)与承载催化剂的钛化合物颗粒混合或者分散在其中。但碳不承载催化剂也不与其接触。

这些特定的钛化合物适合于用作燃料电池里催化剂的载体。因此，氢-氧燃料电池堆里的每块电池的膜电极组合件将包括合适的质子交换膜，在膜的一侧有薄的氢氧化阳极和另一侧有氧还原阴极。至少在阴极或者两个电极中，催化剂被负载在纳米尺寸的碳化钛或者氮化钛或者这些金属化合物的混合物颗粒上。

在优选实施方案中，由碳和纳米尺寸的TiC颗粒或TiN颗粒的披铂间隙化合物组成的复合材料被用作燃料电池里的催化剂载体材料，以促进铂电化催化剂与载体的相互作用并防止其在电势循环中的性能退化。铂和含有铂的合金是燃料电池应用中高效的和优选的催化剂。其他贵金属组合物也是适合的。

碳化钛和/或氮化钛催化剂载体材料(没有承载催化剂的碳)的使用可用于低温(如低于大约200℃)的酸性和碱性燃料电池。通过将催化剂颗粒负载于碳化钛或氮化钛上，电池的耐腐蚀性能得到改善，而且通过将碳包含在电极材料中，电极的整体性能也得到改善。碳，优选作为碳颗粒，与负载着催化剂的碳化钛(或氮化钛)相混合，使得催化剂颗粒不和碳颗粒发生物理上的接触。

本发明的其他目的与优点可以在随后的示例性优选实施方案的描述中变得更加明显。

附图简述

图1是用在组装燃料电池堆里的各电池中的固体聚合物电解质膜和电极组合件(MEA)组合的示意图。

图2是图1中MEA的放大的不完整截面图。