[發(fā)明專利]催化劑層

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200880103546.2
• 申請(qǐng)日: 2008-06-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101803079A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: I·R·哈克內(nèi)斯;J·D·B·沙曼;E·A·賴特
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 約翰遜馬西有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88;H01M4/92;H01M8/10;B01J35/00
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 林毅斌;李炳愛(ài)

本發(fā)明涉及適用于燃料電池和其他電化學(xué)應(yīng)用的新催化劑層。

燃料電池為包括由電解質(zhì)分離的兩個(gè)電極的電化學(xué)電池。燃料(例如氫、醇(如甲醇或乙醇)、氫化物或甲酸)提供到陽(yáng)極，氧化劑(例如氧或空氣或其他氧化劑(如過(guò)氧化氫))提供到陰極。電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在電極，燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能和熱。用電催化劑促進(jìn)燃料在陽(yáng)極的電化學(xué)氧化和氧化劑在陰極的電化學(xué)還原。

燃料電池通常根據(jù)其電解質(zhì)分類：質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池，包括氫(包括重整烴燃料)燃料電池、直接甲醇燃料電池(DMFC)、直接乙醇燃料電池(DEFC)、甲酸燃料電池和氫化物燃料電池；堿性電解質(zhì)燃料電池；磷酸燃料電池(包含氫或重整烴燃料)；固體氧化物燃料電池(重整或未重整烴燃料)；和熔融碳酸鹽燃料電池(氫和重整烴燃料)。

在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池中，電解質(zhì)為固體聚合物膜。膜電絕緣，但離子導(dǎo)電。一般使用質(zhì)子導(dǎo)電膜，在陽(yáng)極產(chǎn)生的質(zhì)子跨膜輸送到陰極，在陰極與氧結(jié)合產(chǎn)生水。

PEM燃料電池的主要元件已知為膜電極組(MEA)，基本由五層組成。中心層為聚合物膜。在所述膜的任一側(cè)上，有包含電催化劑的電催化劑層，此層在陽(yáng)極和陰極適應(yīng)不同的要求。最后，與各電催化劑層相鄰的是氣體擴(kuò)散層。氣體擴(kuò)散層必須允許反應(yīng)劑達(dá)到電催化劑層，必須允許從電催化劑層除去產(chǎn)物，并且必須傳導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流。因此，氣體擴(kuò)散層必須多孔并且導(dǎo)電。

電催化劑層一般由微細(xì)分散金屬粉末(如金屬黑)形式未負(fù)載或載于導(dǎo)電載體(如高表面積碳材料)上的金屬(如鉑族金屬(鉑、鈀、銠、釕、銥和鋨)、金或銀或賤金屬)組成。適合的碳一般包括選自碳黑族的碳，如油料爐黑、超導(dǎo)黑、乙炔黑及其石墨化種類。示例性碳包括AkzoNobel?Ketjen?EC300J、Cabot?Vulcan?XC72R和Denka?Acetylene?Black。電催化劑層適合包含其他組分，如離子導(dǎo)電聚合物，包含這些聚合物用以改善在層內(nèi)的離子電導(dǎo)性。電催化劑層也包含一定體積分?jǐn)?shù)的允許反應(yīng)劑進(jìn)入和產(chǎn)物出去的孔隙。

也可用鉑黑在燃料電池陽(yáng)極或陰極中用作催化劑。鉑黑為無(wú)載體的金屬鉑的黑色微細(xì)分散形式。鉑黑可通過(guò)多種方法形成，包括在500℃在熔融硝酸鈉中加熱氯鉑酸銨30分鐘。將熔融物質(zhì)倒入水中，隨后沸騰并洗滌，得到泥漿狀棕色沉淀(被認(rèn)為是二氧化鉑)，沉淀可通過(guò)離心濃縮(Platinum?Metals?Rev.2007，51(1)，52)。用氣態(tài)氫還原水中的懸浮體，得到具有0.5μm至10μm粒徑的用以產(chǎn)生層的黑色懸浮體(見(jiàn)圖1)。一般由鉑黑制備的催化劑層具有至少1mg/cm²的鉑填充量。

燃料電池或燃料電池元件的制造商不斷尋求改善元件性能(或保持性能但以較低成本)和耐久性的方法。因此，本發(fā)明的目的是提供適用于燃料電池的改善的催化劑層，其中催化劑層作為給予提高的性能或可比性能但減少鉑填充量的電催化劑，或者作為氣相催化劑，例如作為選擇性氧化催化劑，以除去在例如重整的過(guò)程中通過(guò)轉(zhuǎn)化礦物燃料(如天然氣)制備氫燃料時(shí)產(chǎn)生的燃料流中的雜質(zhì)。

因此，本發(fā)明提供一種由無(wú)載體的金屬的離散顆粒形成的多孔催化劑層，其中至少80％(適合至少90％)的離散顆粒具有1至1000zeptograms的質(zhì)量，其中催化劑層具有小于30％的金屬體積分?jǐn)?shù)和小于0.09mg/cm²的金屬填充量。

離散顆粒的質(zhì)量通過(guò)質(zhì)譜法測(cè)定，此類方法為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉。適合至少80％(更適合至少90％)的離散顆粒具有1至200zeptograms的質(zhì)量。

無(wú)載體的金屬的離散顆粒適合為基本球形。術(shù)語(yǔ)“基本球形”是指較長(zhǎng)軸不大于較短軸長(zhǎng)度的兩倍。較長(zhǎng)軸適合不大于較短軸長(zhǎng)度的一倍半，優(yōu)選較長(zhǎng)軸和較短軸為基本類似長(zhǎng)度。

金屬體積分?jǐn)?shù)適合小于30％，優(yōu)選小于20％。計(jì)算金屬體積分?jǐn)?shù)的方法為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉，但可用以下方法計(jì)算：(i)計(jì)算在合適金屬填充量固體金屬層具有的厚度；(ii)從測(cè)量的催化劑層厚度計(jì)算層中金屬的體積分?jǐn)?shù)?？墒褂靡韵鹿剑?/p>

金屬固體厚度＝金屬填充量(每cm²)/金屬密度

金屬體積分?jǐn)?shù)＝100×金屬固體厚度/催化劑層厚度

含0.02mgPt?cm^-2的150nm厚鉑催化劑層的一般實(shí)例如下：

Pt固體厚度＝0.02×10^-3g/21.45g?cm^-3＝9.32×10^-7cm＝9.32nm

Pt體積分?jǐn)?shù)＝100×9.32nm/150nm＝6.21％