[发明专利]用于碱性膜燃料电池的阳极电催化剂

说明书

相关申请

本申请涉及2010年2月23日提交的，美国序列号为12/710,539的“用于碱性膜燃料电池的催化剂涂敷膜(CCM)和催化剂薄膜/层以及制造它们的方法”的美国专利申请，其现有的美国专利号为8,304,368，该专利的全部内容通过引证在此全部并入本文。本申请要求享有美国序列号为61/643,509，2012年5月7日提交的，名称为“用于碱性膜燃料电池的阳极电催化剂”的优先权，该申请的全部内容通过引证在此全部并入本文。

技术领域

本发明主要涉及碱性膜燃料电池，更具体的是涉及一种用于碱性膜燃料电池的阳极电催化剂。

背景技术

燃料电池通过电化学过程将燃料(例如，氢气)中的化学能转化为电能，所述电化学过程需要氧化剂(例如，获自空气的氧气)。存在多种类型的燃料电池；但是，它们都被认为是包括阳极、阴极、以及电解质。通过外部电路(即，负载)将电子从阳极引至阴极。电解质可使带电离子(除电子外)在燃料电池的阳极与阴极之间移动。电解质可以多种形式存在，例如液体或薄膜。

在一种氢/空气碱性膜燃料电池(AMFC)中，氢气在阳极通过下述电化学过程从而被氧化(氢气的氧化反应，或者HOR)：

H₂+2OH^-→2H₂O+2e^-

产生水和电子。经由外部电路(即，负载)将所产生的电子传递到阴极，并且在阴极上通过下述电化学过程(氧气的还原反应，或者ORR)被消耗：

1/2O₂+H₂O+2e^-→2OH^-，

产生氢氧根离子。通过AMFC的膜电解质将在阴极形成的氢氧根离子传递到阳极。只要提供气体反应物(H₂和O₂)，那么就会在阳极和阴极上持续地发生化学反应。净电池反应可消耗氧气和氢气，并产生水，所产生的电子用于驱动外部负载。热量作为一种副产物而产生。

发明内容

本发明涉及一个较早提交的申请，即2010年2月23日提交的，美国序列号为12/710,539的“用于碱性膜燃料电池的催化剂涂敷膜(CCM)和催化剂薄膜/层以及制造它们的方法”的美国专利申请，其现有的美国专利号为8,304,368，该专利公开了碱性膜燃料电池中(AMFC)所使用的催化剂涂敷膜(CCM)的制备，包括：(a)一种金属纳米粉末；以及(b)一种离子导电离聚物。特别是，所述较早的申请公开了含银纳米粉末可用来作为一种金属催化剂组分，特别是针对AMFC阴极。所述较早的申请还公开了用于AMFC的阳极催化剂层的制造，利用与离子导电离聚物混合的无载体负载的金属纳米颗粒。

本发明的一个特定方面是，金属纳米粉末家族的扩展，所述纳米颗粒粉末被应用于催化剂层的制备，以混合活性和非活性的金属纳米颗粒，以及所使用的其它催化活性金属，包括：除银(Ag)颗粒之外，钌(Ru)、钯(Pd)、铑(Rh)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、和金(Au)。

使用无载体负载的金属纳米颗粒作为燃料电池中的催化剂并不认为是对材料的常规选择。这是由于载体负载的原因，典型的碳负载的金属催化剂在大多数情况下是一种优先选择。但是，在某些给定离聚物浓度的情况下，AMFC表现出在催化剂层内限制的离子导电性的高度挑战，并且，因此，AMFC中的催化剂的厚度可具有特殊价值。为了满足在最小厚度的催化剂层内封装足够大的催化剂表面积这一目的，金属纳米颗粒的无载体负载层具有明显超出碳负载的金属催化剂的优势。因此，通过前一种类型的层的离子物质所移动的平均距离会变得较短，并且因而降低了在AMFC中占主导地位的离子导电损耗。另一方面，无载体负载的、纳米尺寸的金属催化剂所制成的催化剂层的致密堆积可制成一种挑战，所述挑战为，针对离子电荷、水以及气体反应物有效移动的要求而言不足够的孔网络。对于AMFC技术中所述催化剂层的成功实施而言，这一难题的改进是一种先决条件，并且其需要优化的催化剂组合物，通过在层中优化含量的离聚物组分以及，如本发明中所述的用于催化剂层的形成的其它的非活性纳米颗粒来实现。