[发明专利]催化剂体系、电极以及燃料电池或电解器

说明书

本发明涉及一种催化剂体系(9)、包括所述催化剂体系(9)的电极(1)以及包括至少一个此类电极(1)的燃料电池(10)或电解器。所述催化剂体系(9)包括导电金属氧化物载体和导电金属氧化物催化剂材料，其中所述金属氧化物载体和所述催化剂材料在组分上不同，并且其中所述催化剂材料和所述金属氧化物载体各自用氟来稳定。所述金属氧化物载体的和所述催化剂材料的称为pzzp值(pzzp＝零zeta电位点)的近表面pH值不同，其中所述金属氧化物载体或所述催化剂材料任一者的pzzp值至多为pH＝5。所述催化剂材料和所述金属氧化物载体形成至少两相的分散复合氧化物。

技术领域

本发明涉及一种催化剂体系，该催化剂体系包括金属氧化物载体和金属氧化物催化剂材料。本发明进一步涉及一种电极，该电极包括催化剂体系。本发明进一步涉及一种燃料电池或电解器，该燃料电池或电解器包括至少一个此类电极以及高分子电解质膜。

背景技术

20多年以来，领先的汽车制造商一直致力于用含氢燃料电池作为能量载体。在整个产业链中，从原料的生产到回收，尽管采用燃料电池以及利用可再生资源制氢在效率上明显低于普通电池动力(battery-powered)汽车的效率，但是燃料电池在碳足迹方面是有利的。此外，燃料电池的动力学性能明显弱于普通电池。其原因在于，若是发生紧急的用电需求，将反应物氢和氧输送至燃料电池的反应室中需要一定的时间。这也是燃料电池和锂电池组成的混合体系模型日益普及的原因。在汽车的典型驱动循环中，燃料电池在汽车的驱动行为中承担基本载荷，而普通电池则被切换为“发电机”以达到短时间的电力高峰。

因此，焦点在于提高燃料电池的效率。对于高分子电解质膜燃料电池，在工作温度窗口为T＝80-90℃时，燃料电池具有约为90-95％的基于热力学的理论效率。然而，从技术上讲，在最佳情况下，当前达到的效率也仅有50-60％。其主要原因之一是在用铂催化剂进行氧还原反应时，过电压太高。迄今为止，铂被认为是用于在燃料电池中还原氧的最佳催化剂，但由于其价格过高，所以应该避免使用或至少在使用时要非常节制。

基于氧化物的化合物例如为另一类催化剂。US 2015/0 368 817A1公开了一种用于电解器的阳极侧的催化剂体系，该催化剂体系包括支架和多个布置在该支架上的催化剂颗粒。载体包括多个金属氧化物颗粒或掺杂的金属氧化物颗粒。催化剂颗粒基于贵金属铱、氧化铱、钌、氧化钌、铂或铂黑，并且因此其相当昂贵。载体的颗粒(包括催化剂颗粒)分散于粘合剂中。

DE 10 2008 036 849 A1公开了一种用于燃料电池的双极板单元，该双极板单元包括基体、设置在阳极侧上的涂层和设置在阴极侧上的涂层，其中涂层的成分不同。阴极侧上的涂层包括金属氧化物，特别是呈掺杂氟的氧化锡形式。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于改进的氧还原的催化剂体系，特别是在燃料电池或电解器中使用，该催化剂体系不使用贵金属或仅使用少量的贵金属。本发明的进一步目标是提供电极、燃料电池和包括这样的催化剂体系的电解器，其中后者的效率会提高。

该目标通过催化剂体系来实现，其中

全面形成电导率σ₁为至少10S/cm的导电金属氧化物载体，其中该金属氧化物载体具有至少两种选自由非贵重金属组成的组的第一金属元素，并且具有包括粒径至少为30nm的氧化物颗粒的结构，

全面形成电导率σ₂为至少10S/cm的导电金属氧化物催化剂材料，其中该催化剂材料具有至少一种来自由非贵重金属组成的组的第二金属元素，其中金属氧化物载体中的第一金属元素和至少一种第二金属元素各自存在于呈固体定比化合物或均质固溶体的催化剂材料中，其中金属氧化物载体和催化剂材料在其组分上彼此不同并且各自用氟来稳定，并且

其中金属氧化物载体的和催化剂材料的称为pzzp值(pzzp＝零zeta电位点)的近表面pH值不同，其中金属氧化物载体或催化剂材料任一者的pzzp值至多为pH＝5，并且催化剂材料和金属氧化物载体形成至少两相的分散复合氧化物。