[发明专利]基于非贵金属的催化剂及其制法、含其的电极及燃料电池

说明书

技术领域

一个或多个实施方式涉及基于非贵金属的催化剂、其制造方法、包括该基于 非贵金属的催化剂的燃料电池电极及包括该基于非贵金属的催化剂的燃料电池。

背景技术

常规地，固体聚合物电解燃料电池使用金属微粒作为电极催化剂，其主要包 括具有优异催化活性和高电位的贵金属，例如铂（Pt)。

然而，Pt是稀有金属且因此昂贵。因此，需要用其它高活性的电极催化剂替 代Pt用于燃料电池。

为了减少Pt的使用量，可额外使用添加剂例如氧化锆(参见EP552133)，或者 可通过溅射将过渡金属氧氮化物附着到载体的表面以产生过渡金属氧氮化物电极 催化剂(参见JP2006-334542)。

然而，常规的基于非贵金属的电极催化剂的活性程度不令人满意并且因此使 用基于非贵金属的电极催化剂的燃料电池性能差。

发明内容

一个或多个实施方式包括具有优异活性的基于非贵金属的催化剂及其制造方 法。

一个或多个实施方式包括包含该基于非贵金属的催化剂的燃料电池电极以及 包含该基于非贵金属的催化剂的燃料电池。

其它方面将在随后的描述中部分地阐述，并且从该描述中部分明晰，或者可 从本发明的实践中领会。

为了实现上述和/或其它方面，一个或多个实施方式可包括基于非贵金属的催 化剂，其包括式1表示的化合物：

[式1]

Zr_aM_bO_xN_y

其中M包括选自4族元素到12族元素的至少一种元素，

a是约1到约8的数，

b是约1到约8的数，

x是约0.2到约32的数，以及

y是约0.2到约16的数。

为了实现上述和/或其它方面，一个或多个实施方式可以包括制造基于非贵金 属的催化剂的方法，该方法包括：

分别混合式1表示的化合物的前体和溶剂以制备前体溶液；

混合碳质载体和溶剂以制备载体浆料；

混合该前体溶液和该载体浆料以获得混合产物；

将该混合产物干燥和氮化(硝化，nitrificate)，从而获得氮化(硝化)产物；以及

冷却该氮化产物至室温。

为了实现上述和/或其它方面，一个或多个实施方式可包括燃料电池用电极， 该电极包含该基于非贵金属的催化剂。

为了实现上述和/或其它方面，一个或多个实施方式可包括燃料电池，其包含： 阴极；阳极；以及插在该阴极和该阳极之间的电解质膜，

其中该阴极和该阳极中的至少一个包含该基于非贵金属的催化剂。

附图说明

这些和/或其它方面将从结合附图的以下实施方式的描述中变得明晰和更容易 理解，其中：

图1是根据实施方式的燃料电池的分解透视图；

图2是根据实施方式的图1的燃料电池的膜电极组件(MEA)的示意性截面图；

图3到图5为分别显示根据合成实施例1和2与合成比较例1制备的化合物 的透射电子显微镜(TEM)图像；

图6是说明在O₂饱和(saturated)的0.5M H₂SO₄中根据实施例1和比较例1制 造的燃料电池的催化剂的氧还原反应(ORR)的特性的图；

图7是说明在O₂饱和的0.5M H₂SO₄中根据比较例1制造的燃料电池的催化剂 的氧还原反应(ORR)的特性的图；以及

图8到图10是根据实施例1和3与比较例1制备的燃料电池的电池电压和功 率密度相对于电流密度的图。

具体实施方式

现在详细提及实施方式，其实例在附图中说明，其中相同的附图标记始终代 表相同的元件。在这点上，本实施方式可具有不同的形式并且不应解释为限于在 此所阐明的描述。因此，实施方式仅仅通过参考附图在以下描述以解释本发明的 各个方面。

实施方式提供基于非贵金属的催化剂，其包括下述式1表示的化合物。式1 表示的化合物是活性成分。

[式1]