[发明专利]催化剂层

说明书

本发明公开一种由无载体的金属的离散颗粒形成的多孔催化剂层，其中至少80％(适合至少90％)的离散颗粒具有1至1000zeptograms的质量，其中催化剂层具有小于30％的金属体积分数和小于0.09mg/cm²的金属填充量。催化剂层适用于燃料电池和其他电化学应用。

本申请是专利申请号为200880103546.2、国际申请日为2008年6月19日(国际申请号为PCT/GB2008/050467)、发明名称为“催化剂层”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及适用于燃料电池和其他电化学应用的新催化剂层。

背景技术

燃料电池为包括由电解质分离的两个电极的电化学电池。燃料(例如氢、醇(如甲醇或乙醇)、氢化物或甲酸)提供到阳极，氧化剂(例如氧或空气或其他氧化剂(如过氧化氢))提供到阴极。电化学反应发生在电极，燃料和氧化剂的化学能转化成电能和热。用电催化剂促进燃料在阳极的电化学氧化和氧化剂在阴极的电化学还原。

燃料电池通常根据其电解质分类：质子交换膜(PEM)燃料电池，包括氢(包括重整烃燃料)燃料电池、直接甲醇燃料电池(DMFC)、直接乙醇燃料电池(DEFC)、甲酸燃料电池和氢化物燃料电池；碱性电解质燃料电池；磷酸燃料电池(包含氢或重整烃燃料)；固体氧化物燃料电池(重整或未重整烃燃料)；和熔融碳酸盐燃料电池(氢和重整烃燃料)。

在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质为固体聚合物膜。膜电绝缘，但离子导电。一般使用质子导电膜，在阳极产生的质子跨膜输送到阴极，在阴极与氧结合产生水。

PEM燃料电池的主要元件已知为膜电极组(MEA)，基本由五层组成。中心层为聚合物膜。在所述膜的任一侧上，有包含电催化剂的电催化剂层，此层在阳极和阴极适应不同的要求。最后，与各电催化剂层相邻的是气体扩散层。气体扩散层必须允许反应剂达到电催化剂层，必须允许从电催化剂层除去产物，并且必须传导电化学反应产生的电流。因此，气体扩散层必须多孔并且导电。

电催化剂层一般由微细分散金属粉末(如金属黑)形式未负载或载于导电载体(如高表面积碳材料)上的金属(如铂族金属(铂、钯、铑、钌、铱和锇)、金或银或贱金属)组成。适合的碳一般包括选自碳黑族的碳，如油料炉黑、超导黑、乙炔黑及其石墨化种类。示例性碳包括Akzo Nobel Ketjen EC300J、Cabot Vulcan XC72R和Denka Acetylene Black。电催化剂层适合包含其他组分，如离子导电聚合物，包含这些聚合物用以改善在层内的离子电导性。电催化剂层也包含一定体积分数的允许反应剂进入和产物出去的孔隙。

也可用铂黑在燃料电池阳极或阴极中用作催化剂。铂黑为无载体的金属铂的黑色微细分散形式。铂黑可通过多种方法形成，包括在500℃在熔融硝酸钠中加热氯铂酸铵30分钟。将熔融物质倒入水中，随后沸腾并洗涤，得到泥浆状棕色沉淀(被认为是二氧化铂)，沉淀可通过离心浓缩(Platinum Metals Rev.2007，51(1)，52)。用气态氢还原水中的悬浮体，得到具有0.5μm至10μm粒径的用以产生层的黑色悬浮体(见图1)。一般由铂黑制备的催化剂层具有至少1mg/cm²的铂填充量。

燃料电池或燃料电池元件的制造商不断寻求改善元件性能(或保持性能但以较低成本)和耐久性的方法。因此，本发明的目的是提供适用于燃料电池的改善的催化剂层，其中催化剂层作为给予提高的性能或可比性能但减少铂填充量的电催化剂，或者作为气相催化剂，例如作为选择性氧化催化剂，以除去在例如重整的过程中通过转化矿物燃料(如天然气)制备氢燃料时产生的燃料流中的杂质。

发明内容

因此，本发明提供一种由无载体的金属的离散颗粒形成的多孔催化剂层，其中至少80％(适合至少90％)的离散颗粒具有1至1000zeptograms的质量，其中催化剂层具有小于30％的金属体积分数和小于0.09mg/cm²的金属填充量。