[发明专利]用于基于聚合物电解质的燃料电池的电化学催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于基于聚合物电解质的燃料电池的电化学催化 剂的方法，所述催化剂具有优异的电化学催化剂活性，所述方法通过将 大量纳米尺寸的金属粒子均一地支撑在碳载体表面上而不聚集而实施。

背景技术

燃料电池是通过燃料如氢或甲醇与氧的电化学反应，将燃料 的化学能转变成电能的装置。燃料电池作为下一代清洁能源已被关注， 原因在于其高发电效率而不遭受卡诺循环，以及与现有热力发电相比的 污染物低排放，如NO_X和SO_X。它在运行中也不产生噪音。燃料电池根 据使用的电解质被分为聚合物电解质燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池 (PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。 其中，聚合物电解质燃料电池与其它燃料电池相比，具有更低工作温度、 更好发电效率和更加小型的特性，因此，它被广泛地用作电动运载工具 的电源、房屋的小型发电厂、移动应急电源和军用电源等。

聚合物电解质燃料电池通常以集电器/燃料电极/聚合物电解 质膜/空气电极/集电器的五层结构形成。燃料电池被提供燃料如氢或甲 醇，并且它们的空气电极被提供空气或氧。燃料在燃料电极被氧化以产 生质子和电子。此时，质子通过电解质膜移动到空气电极，电子通过构 建外部电路的电线和负荷移动到空气电极。质子和电子与氧的还原反应 在空气电极进行，产生水，随后水从燃料电池中排出。

聚合物电解质燃料电池的两个电极都通过应用由用于激活氧 化还原反应的催化剂、聚合物电解质和溶剂制成的油墨而在碳种类或者 碳布上形成催化剂层而制造。对于催化剂而言，铂基催化剂，如铂或铂/ 钌合金——其在碳颗粒载体中，具有非常优异的催化活性——已在实践 中应用。

聚合物电解质燃料电池的催化剂应该具有特征，例如，金属 粒子的大的比表面积、金属粒子和催化剂载体之间的强粘附、改进的一 氧化碳耐受性、和合金化后金属原子之间的化学均一性等。特别地，大 量的金属粒子应当在碳颗粒表面被无聚集地均一支撑，以使电化学催化 剂活性变高。此外，为了早日使燃料电池商业化，催化剂的制造方法应 当是便宜的和环境友好的。

作为生产催化剂的传统方法，吸收剂还原方法已被普遍应用， 所述方法将铂化合物水溶液或铂化合物和钌化合物的水溶液与作为催化 剂载体的碳粉混合，并且分散该混合物，通过向其中加入还原剂如硼氢 化钠(NaBH₄)、醇、醛等来沉淀颗粒，或者在氢气氛下进行退火而将其还 原。这种方法简单方便，但当金属粒子的支撑数量增加时，则难以均一 地支撑它们而不聚集，并且也难以控制粒度。

Watanabe(J.Electroanal.Chem.，229，1987，395)等提出胶体方 法作为替代方法。这种方法可以利用NaHSO₃、H₂O₂作为还原剂在胶体 上均一地沉淀颗粒。然而，这一方法在控制反应条件如pH值方面存在困 难，并且由于颗粒相以氧化物形式被沉淀，其需要高温氢退火，从而增 加其制造成本。因此，这种方法不适于大量生产。

另一种方法——Bonnemann方法(Angew.Chem.，103，1991， 1344)，通过合成经表面活性剂而稳定的金属粒子，随后将金属粒子附着 于碳载体来制备催化剂。这种方法不适合大量生产，原因在于：使用有 毒溶剂四氢呋喃(THF)、需要像Watanabe方法那样的高温氢退火处理、 以及金属粒子和碳载体之间的粘附相对弱。

除了上述方法外，热解方法(Xing et al.，Chem.Comm.，12， 2005，1601.)利用载气在高温还原气氛状态下使由载体和金属化合物组成 的气溶胶通过反应器，从而热解所述气溶胶而支撑金属粒子；或者，气 相合成方法，如燃烧化学气相沉积方法(Yu Ji Bum，韩国专利申请号 10-2004-0025987)利用载体作为基质并在载体上进行金属化合物的化学 气相反应来制备催化剂。因为这些方法存在催化剂产量低和金属粒子的 支撑数量受限的问题，所以已知它们不适合大量生产。