[发明专利]催化剂层

说明书

公开了一种催化剂层，其包含：(i)电催化剂，和(ii)水电解催化剂，其中水电解催化剂包含铱或氧化铱和一种或更多种金属M或其氧化物，其中M选自过渡金属和Sn并且排除钌。这样的催化剂层在经历高电化学电位的燃料电池中具有用途。

本申请是以下申请的分案申请：申请日：2010年8月18日；申请号：201080037911.1(PCT/GB2010/051361)；发明名称：“催化剂层”的分案申请。

技术领域

本发明涉及催化剂层，特别是用于经历高电化学电位的燃料电池的催化剂层。

背景技术

燃料电池为包含由电解质分隔的两个电极的电化学电池。燃料比如氢气或醇(比如甲醇或乙醇)被供给阳极，且氧化剂比如氧气或空气被供给阴极。电化学反应在电极处发生，并且燃料和氧化剂的化学能转化为电能和热量。电催化剂用于促进燃料在阳极的电化学氧化和氧气在阴极的电化学还原。

在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质为固体聚合物膜。所述膜为电子绝缘但传导质子，并且在阳极所产生的质子跨膜传输至阴极，在阴极它们与氧气结合形成水。

PEM燃料电池的主要部件称为膜电极组件(MEA)并且基本上由5层组成。中间层为聚合物离子传导膜。在离子传导膜的任何一侧都存在电催化剂层，包含设计用于具体电化学反应的电催化剂。最后，邻近每一个电催化剂层存在气体扩散层。气体扩散层必须使得反应物能够到达电催化剂层，并且必须传导经电化学反应产生的电流。因此气体扩散层必须为多孔和导电的。

用于燃料氧化和氧气还原的电催化剂通常基于铂或者与一种或更多种其它金属合金化的铂。铂或铂合金催化剂可以未负载的纳米大小颗粒(比如金属黑或其它未负载的粒状金属粉末)形式存在，或者可作为更高表面积颗粒沉积到导电碳基底或其它导电材料上(负载型催化剂)。

MEA可经几种方法构建。电催化剂层可涂布于气体扩散层以形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可置于离子传导膜的任一侧并且层压在一起以形成5层MEA。或者，电催化剂层可涂布于离子传导膜的两面以形成催化剂涂布的离子传导膜。随后，气体扩散层涂布于催化剂涂布的离子传导膜的两面。最后，可自在一侧用电催化剂层涂布的离子传导膜、邻接于该电催化剂层的气体扩散层和在离子传导膜的另一侧的气体扩散电极形成MEA。

通常需要数十或数百个MEA以提供对大多数应用足够的电力，因此将多个MEA组装以组成燃料电池堆(fuel cell stack)。场流板用于分隔MEA。这些板履行几种功能：将反应物供至MEA，除去产物，提供电连接和提供物理支撑。

高电化学电位可发生于多种实际运行情况，并且在某些情况下可引起催化剂层/电极结构的损坏。其中可见高电化学电位的多种情况的进一步描述在以下得到描述：

(a)电池反转(Cell Reversal)

电化学电池偶尔经受电压反转情况，其为其中电池被强迫至相反极性的情况。串联的燃料电池有可能受到这些有害的电压反转，比如当其中一个电池由串联的其它电池被强迫至相反极性时。在燃料电池堆中，这可发生于电池不能自燃料电池反应产生电流，电流由其余电池迫使通过该电池时。电池堆中的电池组也可经受电压反转，并且甚至整个电池堆可由阵列中的其它电池堆驱使电压反转。除了损失与一个或更多个进入电压反转的电池有关的能量以外，该情况造成可靠性问题。可发生不合需要的电化学反应，其可不利地影响燃料电池部件。部件降解减少燃料电池的可靠性和性能，并且继而减少其相关的电池堆和阵列的可靠性和性能。

多种方法已经用于致力于电压反转问题，例如采用能够运载电流跨过每一个单个燃料电池或者监测每一个单个电池的电压的二极管，并且如果检测到低电压则关闭受损伤的电池。然而，已知电池堆通常采用许多燃料电池，这样的方法可为相当复杂并且实施昂贵的。