[發(fā)明專利]燃料電池催化劑、燃料電池電極以及具有該燃料電池電極的聚合物電解質(zhì)燃料電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680042473.1
• 申請(qǐng)日: 2006-11-10
• 公開（公告）號(hào): CN101310403A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 堀內(nèi)洋輔;寺田智明;永田貴寬;田端壽晴;榎本晉;高橋宏明;齋藤克史
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 株式會(huì)社科特拉;豐田自動(dòng)車株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;B01J23/42;B01J35/10;H01M4/86;H01M4/96;H01M8/10
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所
• 代理人: 楊曉光;李崢

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃料電池催化劑、燃料電池電極和具有該燃料電池電極的聚合物電解質(zhì)燃料電池，所述燃料電池催化劑能夠在耐久測(cè)試后抑制電壓下降。

背景技術(shù)

具有聚合物電解質(zhì)膜的聚合物電解質(zhì)燃料電池可以很容易地減小尺寸和重量。因此，對(duì)于其作為例如電動(dòng)車輛的移動(dòng)車輛和小型廢熱發(fā)電系統(tǒng)的電源的實(shí)際應(yīng)用的期望不斷增長(zhǎng)。

在聚合物電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極和陰極的催化劑層中的電極反應(yīng)在三相界面處(下面稱為反應(yīng)位置)進(jìn)行，這里反應(yīng)氣體、催化劑和含氟離子交換樹脂(電解質(zhì))同時(shí)并存。因此，在聚合物電解質(zhì)燃料電池中，催化劑層通常由催化劑制成(例如負(fù)載金屬的活性炭，其例如由包括例如活性炭或者炭黑的具有大比表面積的導(dǎo)電碳材料的載體構(gòu)成，通過(guò)所述載體負(fù)載例如鉑的金屬催化劑)。

用作催化劑的貴金屬顆粒的分散形式根據(jù)載體形式而不同。因此，可以預(yù)計(jì)，催化劑活性會(huì)根據(jù)載體形式顯著變化。此外，電極特性也根據(jù)載體形式不同，所述載體負(fù)載構(gòu)成電極的催化劑。

考慮到上述，為了提供在高分散狀態(tài)的負(fù)載貴金屬顆粒的催化劑，該催化劑具有高催化劑活性，日本專利公開(Kokai)No.2000-100448A公開了聚合物電解質(zhì)燃料電池催化劑的發(fā)明，其中，包括碳精細(xì)粉末的載體負(fù)載貴金屬，其中，小于或等于20％的所有孔的直徑為60埃。特別是，該文獻(xiàn)公開了用作載體的碳精細(xì)粉末，其具有200cc/100g至495cc/100g以下的DBP油吸收，和300m²/g至1270m²/g以下的的比表面積。

另外，改善聚合物電解質(zhì)燃料電池的耐久性是重要技術(shù)目標(biāo)。在日本專利公開(Kokai)No.2000-268828A中，目標(biāo)是提供一種使用具有優(yōu)良防水性和抗蝕性的電極的聚合物電解質(zhì)燃料電池，由此可長(zhǎng)時(shí)間獲得穩(wěn)定的輸出。所述文獻(xiàn)公開了包括碳載體的電極催化劑，所述碳載體具有0.337到0.348nm的表面[002]的平均晶格面距離(表示為“d002”)、3到18nm的晶體尺寸(表示為“Lc(002)”)和70到800m²/g的比表面積，在其上負(fù)載有鉑或鉑合金。

發(fā)明內(nèi)容

對(duì)于燃料電池車輛的實(shí)際應(yīng)用，提高燃料電池電極催化劑的耐久性是重要的。迄今，已經(jīng)檢測(cè)了在這種耐久性上的提高。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)顆粒生長(zhǎng)導(dǎo)致的催化劑退化是個(gè)問(wèn)題。

因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供用于燃料電池車輛等的聚合物電解質(zhì)燃料電池，所述電池在長(zhǎng)期使用后不會(huì)導(dǎo)致電壓降低。

此外，本發(fā)明的另一目標(biāo)是確保在碳載體上有足夠的三相界面以提高催化劑效率，在所述三相界面處，匯集有反應(yīng)氣體、催化劑和電解質(zhì)。因此，電極反應(yīng)有效地進(jìn)行，使得可以提高燃料電池的發(fā)電效率。并且，本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供具有優(yōu)良特性的電極，以及包括該電極的聚合物電解質(zhì)燃料電池，該燃料電池能夠產(chǎn)生高電池輸出。

本發(fā)明人集中在催化劑顆粒的初始顆粒直徑上。他們發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題可按照如下所述解決。當(dāng)用作載體的導(dǎo)電碳材料可以具有與催化劑顆粒的初始顆粒直徑基本相同(在納米量級(jí)水平)的孔直徑時(shí)，或者即使當(dāng)用作載體的導(dǎo)電碳材料的孔直徑與催化劑金屬(PGM)顆粒的初始顆粒直徑不一致時(shí)，通過(guò)將催化劑金屬(PGM)顆粒至少部分地包含在負(fù)載所述催化劑顆粒的載體孔中，可抑制催化劑顆粒的顆粒生長(zhǎng)(燒結(jié))。這導(dǎo)致了本發(fā)明的完成。

具體而言，第一方面，本發(fā)明涉及一種燃料電池催化劑，其中催化劑顆粒被負(fù)載在載體上。本發(fā)明的特征在于平均催化劑載體孔直徑/催化劑金屬(PGM)顆粒直徑的值在0.5到1.8之間。

當(dāng)平均催化劑載體孔直徑/催化劑金屬(PGM)顆粒直徑的值小于1.8時(shí)，催化劑金屬顆粒可進(jìn)入用作載體的導(dǎo)電碳材料中，使得催化劑金屬顆粒彼此接觸。因此，即使在燃料電池工作耐久測(cè)試后，也可抑制根據(jù)催化劑顆粒尺寸的顆粒生長(zhǎng)(燒結(jié))。

此外，在耐久測(cè)試后，當(dāng)催化劑金屬顆粒具有比平均催化劑載體孔直徑更大的催化劑金屬(PGM)顆粒直徑時(shí)，在耐久測(cè)試中，這樣的催化劑金屬顆粒在載體上遷移，使得兩個(gè)或多個(gè)催化劑金屬顆粒彼此相互接觸。在這種情況下，彼此相互接觸的金屬催化劑顆粒被燒結(jié)，導(dǎo)致顆粒生長(zhǎng)。根據(jù)本發(fā)明，平均催化劑載體孔直徑/催化劑金屬(PGM)顆粒直徑的值大于等于0.5。因此，即使在催化劑金屬顆粒直徑大于平均催化劑載體孔直徑的情況下，催化劑金屬(PGM)顆粒也至少部分地被包含在載體孔中，使得出現(xiàn)固著效果。此外，即使在燃料電池工作耐久測(cè)試之后，通過(guò)限制催化劑金屬顆粒在載體上的自由遷移，能夠抑制在催化劑顆粒直徑方面的顆粒生長(zhǎng)(燒結(jié))。