[发明专利]燃料电池电极用的纳米线负载催化剂

说明书

技术领域

本公开涉及燃料电池电极用的催化剂载体材料。更具体地，本公开 涉及某些金属氧化物纳米线和涂有碳的金属纳米线作为催化剂(如铂纳 米粒子)的载体的用途。

发明背景

燃料电池是被开发用于移动和固定式发电的电化学装置。各燃料 电池通常包含电连接的一堆多个独立的具有类似构造的电化电池以 提供该装置的功率需要量。

一种示例性的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(SPE)膜或 质子交换膜(PEM)以提供多电池燃料电池构造的各电化电池中的阳 极和阴极之间的离子传输。目前，现有技术的PEM燃料电池采用由一 种或多种全氟化离子交联聚合物如DuPont′s制成的膜。该离 子交联聚合物带有用于将质子从阳极透膜传输到阴极的可离子化侧 基(例如磺酸根)。使用能够提供质子的气态和液态燃料。实例包括 氢和甲醇，氢是有利的。向各电化电池阳极供应氢。氧(空气形式) 是电池氧化剂并供应给各电极的阴极。电极由多孔导电材料，如纺织 石墨、石墨化片材或碳纸形成以使燃料能够分散在朝向燃料供应电极 的膜表面上。各电极具有负载在碳纸上的细碎催化剂粒子(例如铂粒 子)以促进阳极处的氢的离子化和阴极处的氧还原。质子从阳极透过 离子导电聚合物膜流向阴极，在此它们与氧组合形成水，将水从电池 中排出。导体板带走阳极处形成的电子。

对于低温(例如80℃)燃料电池，如PEM燃料电池，电催化剂促 进氢与氧之间的反应以产生电能。铂目前优选作为氧在酸性介质中的 电还原用的催化剂。Pt催化剂的电催化活性取决于许多因素，包括其 上负载纳米级铂粒子的载体材料的性质。合适的催化剂载体粒子需要 提供用于有效分散催化剂粒子的高表面积和适合有效电极功能的电 子电导率。炭黑(Vulcan XC-72R)是用于制备燃料电池催化剂的广 泛使用的载体，因为其提供了电子电导率和合理表面积的组合。但是， 本发明人在本文中指出，许多铂纳米粒子截留在炭黑内的深裂纹中。 截留的催化剂粒子不能在电极中有效提供必要的三相界面反应位点， 并显著降低该昂贵的铂材料的利用率。因此，必须找出和制备具有能 够更好利用昂贵的电催化剂材料的表面特性的不同的催化剂载体材 料。

发明概述

提供了用于更有效负载和分散昂贵催化剂材料的粒子的新型催 化剂载体材料。开发出载体材料以负载例如用作燃料电池导电膜上的 电极结构的一部分的纳米级铂粒子。但该载体材料可用在其它催化剂 用途中。

提供金属氧化物纳米线作为一类载体结构。纳米线具有1-100纳 米的极小直径以及微米级长度。在这类纳米线载体中，氧化锡、二氧 化钛、钨纳米线是优选的。具有叠加的碳纳米管外皮的金属纳米线是 第二类载体结构。在这类芯/皮结构中，已经发现，带有碳纳米管外 皮的锡纳米线芯特别有用。这些纳米线结构提供用于沉积铂催化剂粒 子(例如)的充足表面积，且纳米线表面的性质使得催化剂粒子有效 暴露在要催化的流体介质中。该纳米线可以直接成型和沉积在燃料电 池电极中所用的碳纤维(例如碳布中的碳纤维)上。

在本发明的一个方法实施方案中，提供商业上纯净的金属粉末并 通过在含少量氧的流动惰性气氛中加热该粉末来在粉末上或在粉末 附近形成金属氧化物，由此形成金属氧化物纳米线。该反应合适地在 保持在例如大约800℃至大约900℃的加热的流过炉中进行。氩气当 含有杂质量或漏出量的氧(例如，氩气供给中最多百万分之大约1百 份氧)时是合适的惰性气氛成分。由此例如形成SnO₂、TiO₂或WO₃纳 米线。将形成的纳米线在惰性气流中向下游运载，并且可以在形成时 沉积在碳纤维或其它合适的基底或容器上。

在本发明的另一实施方案中，改变惰性气氛以含有合适量的含碳 气体，如烃、乙烯(而非氧)。在流过型反应器的高温下，和在这种 氧化性较低的气氛中，形成独特的芯-皮纳米线结构。该纳米线具有 锡芯以及例如碳纳米管外皮。这些粒子也携带在流动气体中并立即沉 积在碳纤维或类似物上。