[发明专利]用于燃料电池电极的催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及诸如在每个电池中采用固体聚合物电解质膜并在该膜每侧具有含催化剂的电极的燃料电池。更具体地，本发明涉及用于这种电极/电解质膜组件的电极部件，其中该电极包括(i)沉积在金属氧化物载体颗粒上的金属催化剂颗粒和(ii)导电的高表面积材料的混合物。

背景技术

燃料电池是用于移动和静止发电的电化学电池。一种燃料电池设计采用固体聚合物电解质(solid polymer electrolyte，SPE)膜或质子交换膜(PEM)以提供在阳极和阴极之间的离子传输。采用能够提供质子的气态和液态燃料。实例包括氢和甲醇，并优选氢。将氢提供给燃料电池阳极。氧气(空气)是电池氧化剂并被提供给燃料电池阴极。所述电极由诸如纺织石墨(woven graphite)、石墨片(graphitized sheet)或碳纸的多孔导电材料制得，以使得燃料在面对燃料供应电极的膜的表面上分散。每个电极都具有承载在碳颗粒上的精细分散的催化剂颗粒(例如，铂颗粒)，以促进氢在阳极上的离子化和氧在阴极的还原。质子从阳极流经离子导电聚合物膜到达阴极，其中在阴极它们与氧结合以形成水，并从该电池排出水。导电板带走在阳极产生的电子。

现在，PEM燃料电池技术现状采用由一种或多种全氟离聚物如DuPont的Nafion制得的膜。该离聚物具有侧链可电离基团(pendant ionizablegroup)(例如，磺酸根基团(sulfonate group))，用于传输质子经过膜以从阳极到达阴极。

阻碍燃料电池技术大规模推广的主要问题在于长期操作中的性能损失、在正常机动车辆操作期间需用功率的循环和车辆停止/启动循环。本发明基于以下认识：PEM燃料电池的相当大部分的性能损失与氧还原电极催化剂的性能衰减有关。该性能衰减可能是由改变原始制备的催化剂和其载体性能的机理组合引起的。可能的机理包括铂颗粒的生长、铂颗粒的溶解、大量(bulk)铂氧化物的形成和碳载体材料的腐蚀。实际上，已经发现碳在超过1.2V的电压下腐蚀严重，以及向碳的表面上添加铂颗粒显著加大了碳在低于1.2V的电压下的腐蚀速率。这些过程导致铂催化剂活性表面积的损失，导致氧电极性能的损失。然而，电化学循环实验已经显示出单独的氢吸附面积的损失不能解释氧性能的损失。另外的因素包括来自吸附的羟基(OH)物种和吸附的羟基(OH)物种可能的位置交换的干扰，其会改变铂催化剂对氧还原的电催化性能。因此，铂与催化剂载体的特定相互作用会影响铂电催化剂(platinum electrocatalyst)性能的稳定性。

希望提供用于燃料电池电极的更有效和持久的催化剂和催化剂载体颗粒组合。

发明内容

根据本发明的优选实施方式，将贵金属(nobel metal)或包括贵金属的合金的纳米尺寸颗粒沉积在二氧化钛载体颗粒上，其中发现该二氧化钛载体颗粒可以提供例如，在电池的酸性或碱性环境下的抗腐蚀性。该负载催化剂的二氧化钛载体颗粒与导电的高表面积材料如碳混合，该混合物用作燃料电池的电极材料。在金属催化剂纳米颗粒和二氧化钛载体颗粒之间的物理化学相互作用用于更好地稳定电催化剂以防止电化学降解，以及可以提高氧还原性能(oxygen reduction performance)。此外，在碳用作导电材料的情况下，碳颗粒和催化剂金属颗粒之间直接接触的缺乏有助于减少在燃料电池操作电压范围内碳的腐蚀速率，从而提高电极稳定性。

在一个实施例中，铂被化学沉积在相对高表面积的二氧化钛(TiO₂)颗粒上。例如，这种催化剂可用作采用质子导电聚合物膜的低温(＜200℃)氢/氧燃料电池中的氧还原催化剂，该质子导电聚合物膜例如是离聚物，例如具有侧链磺酸根基团的Nafion。该披铂的二氧化钛颗粒与碳颗粒混合以形成电催化剂。由于它特意地将碳颗粒与活性铂催化剂颗粒隔离，所以该方法与以前的方法不同。该颗粒混合物也可以和与电解质膜材料的组成相似的聚合物粘结剂材料混合。

因此，在氢—氧燃料电池堆的每个电池中的膜电极组件将包括适合的质子交换膜，在其一侧具有薄的氢氧化阳极和在另一侧具有氧还原阴极。至少在阴极中，或在两个电极中，催化剂承载在抗腐蚀二氧化钛颗粒上。该负载的催化剂颗粒与导电材料如碳颗粒紧密混合。优选二氧化钛制备成相对高的表面积的颗粒(例如，50m²/g或更高)。还优选该颗粒具有小于约200nm的直径或最大尺寸。