[发明专利]评价燃料电池阴极触媒性能的方法、对应的阴极触媒与燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及评价电池电极触媒性能的方法、寻找电池电极触媒的方法、通过该寻找方法找到的在触媒活性方面具有优越性的燃料电池电极触媒以及具有这种电极触媒的燃料电池。

背景技术

由于其电池反应的产物主要为水，作为对全球环境具有很小负面影响的清洁发电系统，燃料电池受到人们的关注。例如，高分子电解质燃料电池通过向质子传导固体高分子电解质膜的两个表面提供一对电极、向一个电极(燃料电极：阳极)供给作为燃料气体的氢气并向另一个电极(空气电极：阴极)供给作为氧化剂的氧气或空气来获得电动势。

这种高分子电解质燃料电池的特性由于以下原因已经得到很大的改进：(1)已经开发出具有高的离子导电性的高分子电解质膜；(2)通过将被与高分子电解质膜相同或不同类型的离子交换树脂(高分子电解质)覆盖的触媒支撑碳用作电极触媒层的构成材料，将反应位置(reaction site)在所谓触媒层中制作成为三维的；等等。除了这种高电池特性以外，由于高分子电解质燃料电池可被容易地制作为更小且更轻，可望实现其到移动车辆(例如电气车辆)用电源或小型废热发电系统的实际应用。

通常，高分子电解质燃料电池所用的具有气体扩散性的电极由触媒层和气体扩散层构成，触媒层包含上述的由离子交换树脂覆盖的触媒支撑碳，气体扩散层用于向此触媒层供给反应物气体，并用于收集电子。另外，在触媒层中存在由在作为构成材料的碳的次级粒子或三级粒子之间形成的细孔构成的空隙部分，且空隙部分作为反应物气体的扩散通道。另外，在离子交换树脂中稳定的贵金属触媒——例如铂或铂合金——通常被用作上述触媒。

传统而言，贵金属——例如铂或铂合金——被支撑在炭黑上的触媒被用于高分子电解质燃料电池中的阴极与阳极电极触媒。铂支撑炭黑通常通过向氯铂酸水溶液添加亚硫酸氢钠、使得混合物与过氧化氢溶液起反应、使得炭黑支撑所产生的铂胶体并且在清洗后根据需要对混合物进行热处理来制备。通过将铂支撑炭黑分散在高分子电解质溶液中以制备墨水、将墨水施加到例如炭纸等气体扩散基材上并接着进行干燥，制造高分子电解质燃料电池的电极。通过将高分子电解质膜夹在这两个电极之间以便进行热压，组成电解质膜-电极接合体(MEA)。

由于铂是昂贵的贵金属，人们希望用所支撑的少量的铂实现足够的性能。出于这个原因，正在考虑用较少量的铂增强触媒活性的方法。例如，日本特开(Kokai)No.2003-77481A公开：通过将电极表面上的触媒材料的X射线衍射测量值用作参数，由于当测量值处于特定范围内时获得高的触媒活性，与传统技术相比能够减小所用的触媒材料的量。根据上述发明，基于触媒金属微粒的X射线衍射的平面(111)的峰值强度I与平面(200)的峰值强度II的比率(I(111)/II(200))为1.7或更小。

另外，出于提供提供抑制运行过程中铂粒子成长并具有高耐久性性能的燃料电池电极触媒的目的，日本特开(Kokai)No.2002-289208A公开了一种电极触媒，其由导电性碳材料、支撑在导电性碳材料上且在酸性条件下比铂更耐氧化的金属粒子、覆盖金属粒子外表面的铂构成。具体而言，其公开了合金的实例，其采用由选自金、铬、铁、镍、钴、钛、钒、铜、锰、铂的至少一种金属组成的金属粒子的形式。

在高分子电解质燃料电池中，含氢气体(燃料气体)被用作阳极反应物气体，含氧气体(例如空气)被用作阴极反应物气体。在这种情况下，用下面的公式(1)和(2)表示的电极反应分别在阳极与阴极中进行，用公式(3)表示的整体电池反应作为一个整体进行，由此产生电动势。

H₂→2H⁺+2e^-        (1)

(1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O    (2)

H₂+(1/2)O₂→H₂O    (3)

然而，由于其不能获得高的电池输出，这样的传统高分子电解质燃料电池是成问题的，这是因为用公式(2)表示的氧还原反应的活化过电位远远大于用上面的公式(1)表示的氢氧化反应的活化过电位。