[发明专利]具有涂覆碳化硼的金属氧化物/磷酸盐的燃料电池催化剂载体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池催化剂载体及其制备方法。

背景技术

费用及耐久性问题使得燃料电池难以商业化。燃料电池利用催化剂使得燃料如氢气，与氧化剂如通常来自空气的氧气，之间产生化学反应。催化剂一般是涂覆在载体上的铂，其中载体通常是高表面积的碳。

一些耐久性问题要归因于由腐蚀而引起的载体的衰退。电化学研究表明，腐蚀很大程度上取决于碳的表面积和形貌结构。例如，有报道称，具有高表面积的碳，如Ketjen Black，其在经历燃料电池的启动和停止循环时的电位下腐蚀严重，从而引起燃料电池性能的显著下降。据此，为克服此特别的耐久性问题，迫切需要利用除碳以外的具有更高化学和电化学稳定状态的载体。

一种可能替代的用于催化剂的载体是金属氧化物。金属氧化物可以具有高的表面积和好的抗腐蚀性能，这对于燃料电池上的应用是可取的。然而，大多数这些具有高表面积的金属氧化物没有导电性且极其亲水。亲水性载体会带来问题，比如电极淹没(electrod flooding)，这会引起电池性能的明显降低，特别是在高电流密度下。结果，现有的金属氧化物载体不能应用在低温燃料电池上。

因此所需要的是经过修饰的金属氧化物，其更适合应用在燃料电池环境中。

概述

本发明涉及一种燃料电池催化剂载体，其包括一种含有金属氧化物/磷酸盐的载体结构，并可使用，比如化学或机械方式以碳化硼层来加以修饰。金属催化剂层(活性层)涂覆在碳化硼层的上部。

本发明的这些或其它特征可以通过以下的描述和附图来更好地理解，以下是简要说明。

附图简要说明

附图1为示例性燃料电池的示意图。

附图2为如附图1所示燃料电池用的示例性金属氧化物/磷酸盐催化剂载体的示意图。

附图3说明了一个用于在金属氧化物/磷酸盐载体结构上形成碳化硼层的化学工艺实例。

发明详述

在附图1中图解说明示例性燃料电池10。该燃料电池10包括一电池12，其具有在质子交换膜16附近设置的阳极14和阴极18。该阳极12从燃料源24处接收燃料，如氢气。泵28从氧化剂源26处给阴极18供应氧化剂，如空气。在本示例中，氧化剂源26是周边环境。该燃料和氧化剂在可控的化学过程中反应产生电力。电池12和其它的电池20排列在燃料电池堆组件22中，提供足够电力以驱动负载。附图1中所示的该燃料电池10仅供示例用，不能解释为对权利要求的限制。

该阳极14和阴极18通常包括设置在催化剂载体上的催化剂。该催化剂载体提供载体结构，在该载体结构上沉积薄的催化剂层。通常，该催化剂是铂，该催化剂载体是碳，比如Ketjen Black、碳纤维或石墨。

本发明涉及催化剂载体30具有金属氧化物和/或金属磷酸盐载体结构32，如附图2所示。示例性的金属氧化物包括钛的氧化物(如TiO₂和Ti₄O₇)，锆的氧化物(如ZrO₂)，钨的氧化物(如WO₃)，钽的氧化物(如Ta₂O₅)，铌的氧化物(如NbO₂，Nb₂O₅)。其它示例金属氧化物包括钇、钼、铟和/或锡(如ITO)。示例的金属磷酸盐包括TaPO_x、TiPO_x、和FePO_x。具有高的表面积的金属氧化物/磷酸盐是可取的，以使催化层活性相应地增加。而且，金属氧化物/磷酸盐具有强抗腐蚀性。

金属氧化物/磷酸盐通常是亲水性的，这就使得由于电极淹没而限制了其某些情况下的应用，特别是在低温燃料电池中。此外，大多数这样的材料是电隔离的。催化剂载体通常必须是稍有导电性以确保在催化剂层中的电子通过该载体而不经历非期望大小的阻力。因此，在燃料电池中的催化剂载体不仅仅要具有更好的憎水性，还要有适合的导电性。为此，提供碳化硼(B₄C)层34处于金属氧化物/磷酸盐载体结构32和催化剂层36之间以作为中间层，如附图2示出。碳化硼保证了导电性以及催化剂载体所需的亲水性。