[发明专利]用于燃料电池的具有金属氧化物掺杂的催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的催化剂，其包括：支撑体（support）；选自铂族的至少一种催化活性金属或包含至少一种铂族金属的合金；以及选自Ti、Sn、Si、W、Mo、Zn、Ta、Nb、V、Cr和Zr的至少一种金属的至少一种氧化物。本发明还涉及用于制造这样的催化剂的方法和该催化剂的用途。

背景技术

燃料电池是为移动和固定发电而已开发的电化学电池。在燃料电池中，电解的原理被颠倒。现在公知在工作温度方面通常彼此不同的各种类型的燃料电池。然而，对所有类型而言，电池结构大体上相同。燃料电池通常由两个电极层（阳极和阴极）和在这两个电极之间的膜状的电解质构成，反应在两个电极处进行。该膜具有三个功能：其建立离子接触，防止电化学接触，并确保供给到电极层的介质保持分离。通常向电极层供应在氧化还原反应中进行反应的气体或液体。例如，向阳极供应氢气或甲醇，向阴极供应氧气。为了确保这一点，电极层通常与导电的气体扩散层接触。这些气体扩散层例如为由精细通道系统构成的具有格栅状表面的板。

为了使燃料电池工作，使用能提供质子的气体或液体燃料。实例包括氢气和甲醇，其中氢气是优选的。氢气被供给到燃料电池的阳极。氧（形式为大气氧）是电池氧化剂并被供给到燃料电池的阴极。电极通常由多孔导电材料（例如，编织的石墨纤维、石墨化层或碳纸）以允许燃料在面向燃料供给电极的膜的表面上分布。每个电极包括通常施加到碳颗粒上的精细分开的催化剂颗粒（例如，支撑体上的铂颗粒），以便促进在阳极处的氢的离子化和在阴极处的氧的还原。质子从阳极流动通过内传导聚合物膜而到达阴极，在阴极处质子与氧组合形成水，而水被排出电池。导体板导出在阳极处形成的电子。

现有技术的燃料电池的显著问题为，例如，在延长的操作期间的导电性的降低或在正常的汽车操作期间的循环载荷。该性能降低的相当大的部分与氧还原电极催化剂的损伤有关。该损伤可能归因于会改变初始制造的催化剂及其支撑体的特性的机制的组合。

为了减小催化剂性能随时间的降低，US 2006/0257719A1提出了使用氧化钛支撑的电极和碳支撑的电极，在该电极上沉积作为催化剂的铂。镀铂的（platinated）氧化钛颗粒与碳颗粒混合以形成电催化剂。

又一挑战为提高燃料电池的催化剂的比活度以实现更高的效率。为此，例如US 2005/0112451A1提出了使用金属氧化物/碳混合物作为支撑体材料。碳支撑体的比例在从1重量%到80重量%的范围内，金属氧化物的比例为大于20重量%。

发明内容

本发明的一个目的为提供特别地适合于燃料电池中的氧的阴极还原并呈现改善的比活度以及高的长期可靠性的催化剂。本发明的又一目的为提供一种用于制造这样的催化剂的方法。

该目的通过这样一种催化剂实现，该催化剂包括：

（A）支撑体；

（B）选自铂族的至少一种催化活性金属或包含至少一种铂族金属的合金；以及

（C）选自Ti、Sn、Si、W、Mo、Zn、Ta、Nb、V、Cr和Zr的至少一种金属的至少一种氧化物，

其中，以成分（A）、（B）和（C）的重量百分比的总和为基准，所述至少一种氧化物（C）的所述至少一种金属的比例在从0.01重量%到0.9重量%的范围内。

已经令人吃惊地发现，极小的比例的至少一种金属氧化物（C）的引入允许催化剂相对于氧化还原反应的比活度最多提高100%。这可以有利地减少所述至少一种催化活性金属或所述至少一种催化活性合金的量，这导致了显著的成本节约而不会不利地影响性能。为了降低整个系统的成本并同时保持至少相同的性能，减少贵金属（特别地，在铂的情况下）加载量（loading）对于工业和燃料电池中的电催化剂的经济使用而言具有极大重要性。所述至少一种金属氧化物（C）的至少一种金属的比例通常在0.01重量%到0.9重量%的范围内，优选在0.1重量%到0.65重量%的范围内，特别优选在0.2重量%到0.6重量%的范围内。所述至少一种金属为一种金属或上述金属中的2、3、4、5或更多种金属的混合物。

根据本发明用以掺杂所述催化剂的所述至少一种金属氧化物为选自Ti、Sn、Si、W、Mo、Zn、Ta、Nb、V、Cr和Zr的至少一种金属的至少一种氧化物或上述金属的混合氧化物。所述至少一种氧化物优选为选自ZrO₂、SnO₂和TiO₂的氧化物。特别优选氧化物TiO₂和ZrO₂。