[發(fā)明專利]催化劑、膜電極組件和燃料電池

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710104770.0
• 申請(qǐng)日: 2007-04-26
• 公開（公告）號(hào): CN101064368A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梅武;深澤大志;佐藤高洋;水谷衣津子;小林剛史;中野義彥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 株式會(huì)社東芝
• 主分類號(hào): H01M4/92
• 分類號(hào): H01M4/92;H01M4/88;H01M4/86;H01M8/02;H01M8/10;B01J23/64
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所
• 代理人: 楊曉光;于靜

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)以2006年4月28日提交的在先日本專利申請(qǐng)2006-126854和 2007年3月7日提交的在先日本專利申請(qǐng)2007-57450為基礎(chǔ)并要求其優(yōu)先 權(quán)，其全部?jī)?nèi)容在此引用作為參考。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及催化劑、具有催化劑的膜電極組件和燃料電池，以及一種 制造催化劑的方法。

背景技術(shù)

聚合物電解質(zhì)燃料電池，特別是以甲醇水溶液作為燃料的聚合物電解 質(zhì)燃料電池可在低溫下工作，并且可以小而且輕。因此近年來(lái)已經(jīng)進(jìn)行了 關(guān)于將這些電池用作移動(dòng)裝置電源的研究。然而，燃料電池性能尚沒(méi)有達(dá) 到允許廣泛應(yīng)用的水平。燃料電池通過(guò)電極的催化反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電 能。高活性催化劑對(duì)開發(fā)高性能燃料電池是必要的。

PtRu常常用作燃料電池的陽(yáng)極催化劑。當(dāng)使用含PtRu催化劑的電極 所獲得的理論電壓為1.21V時(shí)，PtRu催化劑的電壓損耗大約為0.3V。因 此，需要具有超過(guò)PtRu的活性例如甲醇氧化活性的陽(yáng)極電解質(zhì)。為提高 甲醇氧化活性，已經(jīng)進(jìn)行并從已有技術(shù)報(bào)道了包括添加其它元素至PtRu 的各種研究。

例如，1966年提交的專利申請(qǐng)USP?3,506,494提到了通過(guò)添加10種金 屬例如鎢、鉭和鈮至PtRu而獲得的效果。每個(gè)納米尺寸催化劑顆粒的表 面上發(fā)生催化反應(yīng)，并且催化劑顆粒表面中的多個(gè)原子層大大影響催化反 應(yīng)。因此，即使催化劑成份相同，催化劑顆粒的表面狀況也可能隨著合成 過(guò)程變化。例如，JP-A?2005-259557(KOKAI)涉及一種使用浸漬法將IV 至VI族金屬添加至Pt和Ru而制造陽(yáng)極催化劑的方法。JP-A?2005-259557 (KOKAI)報(bào)道了這些待浸漬金屬的量級(jí)大大改變甲醇活性。關(guān)于Pt、 Ru與IV至VI族金屬的比值，其僅僅描述為Pt:Ru:待添加的金屬＝317.7: 82.3:100。

認(rèn)為仍然很可能通過(guò)控制合成過(guò)程而合成具有從不存在的納米-結(jié)構(gòu) 的催化劑顆粒，以發(fā)現(xiàn)對(duì)PtRu具有高活性的催化劑。目前通常將溶液反 應(yīng)法例如浸漬法用于合成催化劑。但是，溶液反應(yīng)法有這樣的問(wèn)題，即難 于控制由不可還原或合金化的元素制成的催化劑顆粒的結(jié)構(gòu)和表面。

考慮合成由不可還原或合金化的元素制成的催化劑顆粒，濺射法和沉 積法中的每個(gè)都是有利的。但是，對(duì)濺射法和沉積法中的元素種類、催化 劑顆粒的成分、基底材料、基底溫度等等的影響還需要進(jìn)行許多研究。

當(dāng)催化劑顆粒為納米顆粒時(shí)，催化劑顆粒表面上電子狀態(tài)和催化劑顆 粒的納米結(jié)構(gòu)趨向于主要由待添加至催化劑顆粒的元素的種類和數(shù)量決 定。認(rèn)為，為了獲得高活性和高穩(wěn)定性的催化劑顆粒，有必要使待添加至 催化劑顆粒的元素類型、待添加元素的數(shù)量和元素組合合適。

JP-A?2004-281177(KOKAI)報(bào)道了當(dāng)在通過(guò)濺射法在以金箔或Si 制成的基底上形成催化劑時(shí)，將Sn和W添加至Pt-Ru合金的效果。但是， 不能認(rèn)為，形成了甲醇氧化活性足夠的催化劑。對(duì)于添加除了Sn和W以 外元素的效果在JP-A?2004-281177(KOKAI)中沒(méi)有描述。關(guān)于添加Sn 時(shí)所獲得的效果，報(bào)道了當(dāng)催化劑層中Sn含量為25％時(shí)所獲得的效果。

PCT國(guó)家公布2005-532670公開了采用質(zhì)子交換膜對(duì)燃料電池中燃料 的電解氧化有用的催化劑。通過(guò)化學(xué)活化在基材上沉積的基本上半結(jié)晶的 PtX_aAl_b而制備催化劑。在上述組成分子式中，在“a”為1和b為8的情 況下，將從Ru、Rh、Mo、W、V、Hf、Zr、Nb和Co選取的元素作為X， X從W、V、Hf、Zr、Nb和Co中選取。“a”至少為0.001，b至少為0.85(1+a)。

JP-A?2005-334685(KOKAI)描述了將其表面上粘附有第一微粒的第 二微粒用作催化劑顆粒。在這種情況下，通過(guò)濺射在第一微粒表面上形成 膜。

USP?6,171，721B1的公布公開了通過(guò)濺射-沉積在電解質(zhì)膜表面上形成 催化劑。

JP-A?2004-281177(KOKAI)公開了將合金用作甲醇氧化電極電解質(zhì)， 該合金由至少一種從鎢、錫、鉬、銅、金、錳、釩、鉑、釕選取的元素制 成。