[发明专利]负载的催化剂及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及负载的催化剂及燃料电池。

背景技术

与其它燃料电池相比，聚合物电解质膜燃料电池使得燃料电池能够小型化和减重，因此，人们正在积极努力，试图开发出作为用于宇宙飞船能源的聚合物型燃料电池。近年来，已经对作为能源用于车辆及移动设备的聚合物电解质膜燃料电池进行了大量研究。

聚合物电解质膜燃料电池包括用作起电部件(electromotive section)的膜电极组件(MEA)。MEA为一种层状结构，包括阳极扩散层(所谓″集电极″)、阳极催化剂层(所谓″燃料电极″)、质子传导膜、阴极催化剂层(所谓的″氧化电极″)及阴极扩散层(所谓的″集电极″)，这些层以所述次序相互叠放在另一个之上。催化剂层含有催化活性物质、导电物质及质子传导物质，并具有细孔。对于包括用作载体的导电物质的负载的催化剂而言，催化剂层含有负载的催化剂和质子传导物质，并具有细孔。

含有机燃料如甲醇及水的混合燃料被提供给阳极催化剂层。另一方面，空气(氧)被提供给阴极催化剂层。如果混合燃料和空气分别同时提供给阳极催化剂层和阴极催化剂层，则包含在阳极催化剂层和阴极催化剂层中的催化剂表面上就会发生催化反应。催化反应在燃料电极中产生质子。质子迁移到质子传导膜中，而电子则迁移到阳极扩散层中。在氧化电极中，阴极扩散层提供的电子、质子传导膜提供的质子和氧反应。结果，电流在集电极对之间流动。然而，燃料电池的输出性能低，尤其是在低于100℃的温度下。这妨碍了所述燃料电池的广泛使用。燃料电池的低输出性能主要起因于催化剂材料的低活性。这就是现在对用于燃料电池中的催化剂材料进行深入研究的原因。

为了改进催化剂材料的催化活性，建议将其与其它过渡金属合金化并更换载体。含过渡金属的多数合金具有低的电化学稳定性，因此难以实用。另一方面，氧化物或复合氧化物具有良好的耐久性。因此，该氧化物被用作载体材料来负载催化剂材料，或用作催化剂材料的催化剂助剂。在后一情况下，氧化物和催化剂都负载在诸如电导性碳材料的载体材料上。

例如，JP-A2004-95263(公开)教导使用金属氧化物粉末与负载Pt的碳粉、或与负载金属氧化物细微颗粒和Pt细微颗粒的碳粉的混合物被作为阴极催化剂，其中含臭氧的气体被用作氧化剂。

JP-A9-167620(公开)的目的是提供燃料电池电极催化剂，该催化剂能抑制催化活性金属在高温阴极气氛中的洗脱及烧结，其中同时存在磷酸电解质和起氧化剂作用的氧。为了同时获得高的催化活性和良好的耐久性，将由碳粉负载的金属催化剂颗粒用氧化物或氢氧化物覆盖，这两者都含Si和至少一种选自以下组中的元素：Nb、Ni、Sn、Ta、Ti和Zr。

使用碳粉作为载体材料的负载的催化剂确实具有出色的电导性，但催化活性低。结果是，使用JP-A2004-95263(公开)和9-167620(公开)中所公开的电极催化剂的燃料电池不能表现出出色的输出性能。

JP-A2004-73991(公开)的目的是，使用负载少量廉价金属的催化剂，利用蒸汽重整反应，将碳氢化合物有效地转化成由一氧化碳和氢气组成的混合气体。该催化剂包括固体的超酸载体，其中硫酸基团或氧化钨通过氧化锆或氢氧化锆及通过固体超酸载体负载的选自元素周期表VIII族或IB族的至少一种金属来负载。应当注意，硫酸基团或氧化钨插入在锆的氧化物或氢氧化物与所述金属之间。因此，锆的氧化物或氢氧化物、硫酸基团或氧化钨、及所述金属没有共享的界面。

JP-A2003-80077(公开)公开了一种改善用于从车辆尾气中除去大气污染物的催化剂的稳定性的技术。该出版物教导所述催化剂包含碱颗粒，碱颗粒由选自Ce、Zr、Al、Ti、Si、Mg、W、Sr的氧化物及其衍生物的单种材料形成，或由至少两种选自Ce、Zr、Al、Ti、Si、Mg、W、Sr的氧化物及其衍生物材料所形成的固溶液所形成。该出版物进一步教导金属颗粒及防烧结剂由以上所指出的碱颗粒进行负载。防烧结剂由熔点不低于1,500℃的金属或所述金属的氧化物形成。该防烧结剂可防止金属颗粒在1,000℃左右的高温时被烧结，抑制金属颗粒比表面积的降低，由此保持高的反应性。因此，防烧结剂由选自Al、Mg、Ca、Ce、Sr、Zn、W和Mo的氧化物及其衍生物的单种材料，或至少两种选自Al、Mg、Ca、Ce、Sr、Zn、W和Mo的氧化物及其衍生物材料的固溶液所形成。应当注意，由特殊材料形成的防烧结剂具有不低于1,500℃的熔点。