[发明专利]形状可控的钯和钯合金纳米颗粒催化剂

说明书

背景

用于燃料电池的成组的电极组件，其包括阳极、阴极以及阳极和阴极之间的电解质。在一个实例中，将氢气进料至阳极，以及将空气或纯氧进料至阴极。然而，已经认识到可以使用其它类型的燃料和氧化剂。在阳极处，阳极催化剂促使氢分子分裂成质子(H⁺)和电子(e^-)。在所述电子经过外部电路到达阴极的同时所述质子穿过电解质到达阴极，从而导致电流的产生。在阴极处，阴极催化剂促使氧分子与来自阳极的质子和电子反应形成水，其被从系统移除。

所述阳极催化剂和阴极催化剂通常包括铂或铂合金。铂是高成本的贵金属。已经做了很多工作来减少阴极中铂的装载量以降低生产成本。此外，已经做了工作来改进氧还原阴极中的氧还原动力学以提高燃料电池的效率。

概述

用于燃料电池的成组的电极组件(UEA)包括阳极电极、阴极电极、电解质以及钯催化剂纳米颗粒。所述电解质位于所述阴极电极和所述阳极电极之间。所述钯催化剂纳米颗粒位于所述电解质与所述阳极电极和所述阴极电极之一之间。所述钯催化剂纳米颗粒具有{100}富集结构。所述钯催化剂纳米颗粒的大部分表面积暴露于所述UEA环境。

附图的简要描述

图1是具有催化剂层的燃料电池重复单元的透视图。

图2是图1所示的燃料电池重复单元的催化剂层的放大视图。

图3是具有富集{100}结构的钯纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图像。

具体描述

本文描述了在燃料电池的成组的电极组件(UEA)中用作催化剂的钯纳米颗粒。所述钯纳米颗粒具有{100}富集结构。规则的或非形状可控的钯在UEA环境中是不稳定的并且具有比铂更低的氧还原反应(ORR)活性。然而，发现具有{100}富集结构的钯纳米颗粒出人意料地具有比得上碳载铂催化剂的活性。

燃料电池用一个或多个燃料电池重复单元将化学能转换为电能。图1示例了燃料电池重复单元10的一个实例的透视图，其包括成组的电极组件(UEA)12(具有阳极催化剂层(CL)14、电解质16、阴极催化剂层(CL)18、阳极气体扩散层(GDL)20和阴极气体扩散层(GDL)22)，阳极流场24和阴极流场26。燃料电池重复单元10可以具有与阳极流场24和阴极流场26相邻近的冷却剂流场。冷却剂流场没有示例于图1中。

阳极GDL20面对阳极流场24并且阴极GDL22面对阴极流场26。阳极CL14位于阳极GDL20和电解质16之间，并且阴极CL18位于阴极GDL22和电解质16之间。这个组件一旦以已知的技术结合在一起就被称为成组的电极组件(UEA)12。在一个实例中，燃料电池重复单元10是使用氢燃料(即氢气)和氧氧化剂(即氧气或空气)的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。意识到燃料电池重复单元10可使用替代的燃料和/或氧化剂。

在操作时，阳极GDL20经由阳极流场24接收氢气(H₂)。包含催化剂诸如铂的阳极CL14促使氢分子分裂成质子(H⁺)和电子(e^-)。所述质子和电子移动至阴极CL18；所述质子穿过电解质16到达阴极CL18，同时所述电子经过外部回路28，导致电力的产生。空气或纯氧(O₂)经过阴极流场26供应至阴极GDL22。在阴极CL18处，氧分子与来自阳极CL14的质子和电子反应形成水(H₂O)，其随着多余的热量离开燃料电池10。

电解质16位于阳极CL14和阴极CL18之间。电解质16允许质子和水的移动但不传导电子。来自阳极CL14的质子和水能穿过电解质16移动至阴极CL18。电解质16可以是液体诸如磷酸，或固体膜诸如包含全氟磺酸(PFSA)的聚合物或离聚物。PFSA聚合物由具有连接于短氟碳侧链上的磺酸根的氟碳骨架组成。实例PFSA聚合物包括E.I.DuPont，USA的电解质16可以是吸收电解质或非吸收电解质。吸收电解质包括但不限于硫酸和磷酸。非吸收电解质包括但不限于PFSA聚合物和高氯酸。

阳极CL14与电解质16的阳极侧相邻。阳极CL14包括促进燃料(即氢)的电化学氧化的催化剂。用于阳极CL14的实例催化剂包括碳载铂原子。可选择的，阳极CL14可以包括下面描述的关于阴极CL18的钯催化剂纳米颗粒。

阴极CL18与电解质16的阴极侧相邻，与阳极CL14相对。阴极CL18包括促进氧化剂(即氧)的电化学还原的催化剂。如以下进一步描述的，所述催化剂包含具有富集{100}结构的钯纳米颗粒。