[发明专利]含有电极催化剂的分散体组合物及其制品

说明书

本文描述了与离聚物粘结剂、溶剂和多个碳颗粒一起分散在组合物中的多个针状颗粒。这些针状颗粒包括微结构化芯，该微结构化芯的表面的至少一部分上具有催化材料层。该催化材料包含(i)铂和/或(ii)铱和钌中的至少一种，并且该微结构化芯包含多核芳香烃和杂环化合物中的至少一种。

技术领域

本发明公开了一种含有电极催化剂的组合物以及制备此类组合物的方法。包含含有催化剂的组合物的电极表现出高反转容差。

背景技术

已经由膜电极组件(MEA)构造出了包括质子交换膜燃料电池、传感器、电解槽、氯碱分离膜等的电化学装置。此类MEA通常包括夹置于两个电极，阴极和阳极之间的离子传导性膜，以形成3层MEA。离子传导性膜将在一个电极处形成的离子传输到另一个电极处，从而允许电子电流在连接所述电极的外部电路中流动。

氢/氧燃料电池是一种类型的电化学装置，该电化学装置在被供应氢和氧时产生电力。通常通过将3层MEA放置在称为气体扩散层(GDL)的两个多孔导电元件之间形成5层MEA，从而形成氢/氧燃料电池。在氢/氧燃料电池中使用的典型5层MEA可以包括第一GDL、第一电极部分、含有质子交换电解质的离子传导性膜、第二电极部分和第二GDL。这种五层MEA可以用于通过氢气的氧化和氧气的还原来产生电。

发明内容

在典型的操作中，燃料电池在被供应燃料诸如氢气和氧化剂诸如来自空气的氧气时产生电力。该功率可以通过设置所需电流和产生电池电压来生成。当在不存在燃料诸如氢的情况下提取电流时，出现称为反极的状况，其中阳极电池电势可能升高到高于临界极限，从而对燃料电池造成永久性损坏。多种情况可能引起燃料电池发生反极。示例包括：输入燃料(诸如氢)意外关闭；燃料电池组内的一个或多个电池可能被碎屑、液态水或冰堵塞，从而阻止燃料流向阳极；以及在供应燃料之前或在阳极不存在燃料的情况下请求电流。美国专利6,936,370(Knights等人)教导了向负载在碳上的铂添加铱以改善反转容差。美国专利8,637,193(Steinbach等人)教导了与沉积在碳载体上的铱和铂相比，向负载在耐腐蚀载体上的铂添加铱可以进一步改善反转容差。然而，与碳负载型催化剂相比，当利用耐腐蚀的负载型催化剂时，燃料电池性能降低。因此，期望在不降低性能的情况下达到或超出US8637193中所示水平的反转容差。

在一个方面，描述了一种组合物，该组合物包含：

(a)多个针状颗粒，其中这些针状颗粒包括微结构化芯，该微结构化芯的表面的至少一部分上具有催化材料层，其中该微结构化芯包含多核芳香烃和杂环化合物中的至少一种，并且该催化材料包含(i)铂和(ii)铱和钌中的至少一种；

(b)离聚物粘结剂；

(c)溶剂；和

(d)多个碳颗粒，

其中这些多个针状颗粒是不定向的。

在另一个方面，描述了一种组合物，该组合物包含：

(a)多个针状颗粒，这些多个针状颗粒包括第一多个针状颗粒和第二多个针状颗粒，其中这些第一多个针状颗粒包括第一微结构化芯，该第一微结构化芯的表面的至少一部分上具有第一催化材料层，其中该第一催化材料层包含铂；并且其中该第二多个针状颗粒包括第二微结构化芯，该第二微结构化芯的表面的至少一部分上具有第二催化材料层，其中该第二催化材料层包含铱和钌中的至少一种，并且其中该第一微结构化芯和该第二微结构化芯独立地包含多核芳香烃和杂环化合物中的至少一种；

(b)离聚物粘结剂；

(c)溶剂；和

(d)多个碳颗粒，

其中这些多个针状颗粒是不定向的。

在一个实施方案中，提供了一种制品。该制品包括：