[发明专利]催化剂层

说明书

催化剂层，其包括电催化剂和析氧催化剂，其中析氧催化剂包括结晶金属氧化物，其包括：(i)选自钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、镁、钙、锶、钡、钠、钾、铟、铊、锡、铅、锑和铋的一种或多种第一金属；(ii)选自Ru、Ir、Os和Rh的一种或多种第二金属；以及(iii)氧，其特征在于：(a)第一金属：第二金属的原子比为1：1.5至1.5：1；(b)(第一金属+第二金属)：氧的原子比为1：1至1：2。

本发明涉及催化剂层，特别涉及用于经受高电化学势的燃料电池的催化剂层。

燃料电池是电化学电池，其包括由电解质隔开的两个电极。燃料，如氢气或醇(如甲醇或乙醇)，供应至由阳极，以及氧化剂(如氧气或空气)，供应至阴极。在电极上发生电化学反应，并且燃料和氧化剂的化学能转化为电能和热量。电催化剂用于提高阳极处燃料的电化学氧化反应以及阴极处氧化剂的还原反应。

在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质为固体聚合物膜。膜是电子绝缘的，但是质子是导电的，并且在阳极产生的质子，通过膜传输到阴极，在阴极质子与氧结合产生水。

PEM燃料电池的主要组件被认为是膜电极组件(MEA)并且基本上包括五层。中心层为聚合物离子导电膜。离子导电膜的任意一侧是电催化剂层，其包括设计用于特定电化学反应的电催化剂。最后，与每个电催化剂层相邻的是气体扩散层。气体扩散层必须使得反应物到达电催化剂层以及必须传导由电化学反应产生的电流。所以，气体扩散层必须是多孔和导电的。

用于燃料氧化和氧还原的电催化剂通常基于铂或铂与其它一种或多种金属的合金。铂或者铂合金催化剂可以是非载体的纳米尺寸的颗粒(例如金属黑或其它非载体颗粒金属粉末)或者是作为更高表面积的颗粒沉积在导电碳基底上，或者其它导电材料(载体催化剂)。

MEA可以采用多种方法来建造。电催化剂层可以施加在气体扩散层上以形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可以置于离子导电膜的任意一侧并且堆叠在一起以形成五层的MEA。可选的，电催化剂层可以施加在离子导电膜的两侧以形成涂覆有催化剂的离子导电膜。随后，气体扩散层施加于涂覆有催化剂的离子导电膜的两侧。最后，MEA可以由一侧覆盖有电催化剂层的离子导电膜、邻接于电催化剂层的气体扩散层、以及在离子导电膜的另一侧的气体扩散电极形成。

因为通常需要几十或者几百个MEA来为多数应用提供足够的能量，所以多个MEA组装起来以构成燃料电池堆。流场板用于分隔MEA。该板具有多种功能：提供反应物至MEA，去除产物，提供电连接，以及提供物理支撑。

高电化学势会发生在多个真实的操作条件中，以及在某些情况下会对催化剂层/电极结构造成损害。下文将进一步讨论几种出现高电化学势的情况，如下所述：

(a)电池反转

电化学电池偶尔会面临电压反转的情况，这是电池对抗相反的极性的情况。串联的燃料电池潜在会面临这些不必要的电压反转，例如当串联中的一个电池因其它电池而对抗相反的极性。在燃料电池堆中，这可能发生，当电池不能从希望的燃料电池反应中产生时，其它电池会强迫电流穿过它。电池堆中的电池组也可以经历电压反转，并且甚至整个电池堆会被电池阵列中的其它电池堆驱使电压反转。除了与一个或多个电池进行电压反转有关的能量损失，该情况涉及可靠性问题。不希望的电化学反应可能发生，其可能会对燃料电池组件造成有害的影响。组件的退化降低燃料电池的可靠性和性能，并反过来影响电池堆和电池阵列。

已经利用多种方式来处理电压反转的问题，例如使用二极管，其能够承载每单个燃料电池的电流，或者监视每单个电池的电压以及当检测到低电压时关闭受影响的电池。然而，假设堆一般会有许多燃料电池，那么这种方式实施起来会十分复杂以及昂贵。