[發明專利]電極催化劑和其制法、及含其的膜電極組件和燃料電池

無效

• 申請號: 201110217307.3
• 申請日: 2011-08-01
• 公開（公告）號: CN102347494A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發明（設計）人: 樸燦鎬;劉大鐘;張赫;咸東診;韓承勛;裵康弘;李在成
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社;浦項工科大學校產學協力團
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/86;B01J23/89;B01J23/652
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 金擬粲

技術領域

本公開內容的方面涉及用在燃料電池中的電極催化劑、包括所述電極催化劑的膜電極組件和燃料電池、以及制備所述電極催化劑的方法。

背景技術

燃料電池含有設置于通常由多孔金屬或碳形成的兩個電極之間的電解質。這樣的燃料電池也稱作單電池。氫氣或另外的燃料從燃料電池的外部供應至陽極，通過該電極的孔到達反應區域，并通過吸附至該電極中的催化劑變成離解的氫原子。活性氫原子變成質子，且兩個電子被傳輸至電極。電子通過外部電路傳輸至在陽極的相反側的陰極。從而，通過燃料電池產生電流。由于從燃料電池外部供應的氧、通過電解質傳輸的質子和通過外部電路傳輸的電子彼此反應，在陰極處產生水。

聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)中的陽極可包括鉑催化劑以加速通過氧化氫氣產生質子的反應。例如，負載型催化劑可包括覆蓋載體表面的部分或全部面積的鉑和碳化鉬或碳化鎢。然而，鉑是昂貴的且供給有限，因而，鉑的使用阻礙這樣的燃料電池的普遍商業化。為了減少所使用的鉑催化劑的量，具有大的比表面積且為傳導性的碳質材料可用作載體，和鉑催化劑的比表面積通過將微小的鉑顆粒均勻地沉積在該載體上而提高。然而，鉑催化劑組分的重量通常為基于負載型催化劑的總重量的40-80重量％，因而，這樣的燃料電池是昂貴的。

發明內容

本發明的方面提供具有優異的氫的氧化活性且比鉑催化劑便宜的電極催化劑。

本發明的方面提供包括所述電極催化劑的用于燃料電池的膜電極組件。

本發明的方面提供引入含有所述電極催化劑的電極或引入所述膜電極組件的燃料電池。

提供用于制備所述電極催化劑的方法。

本發明的方面提供電極催化劑，該電極催化劑包括具有約10-約30m²/g的比表面積的碳化鎢和包含鈀(Pd)或鈀合金的金屬催化劑。

基于所述電極催化劑的總重量，所述碳化鎢的量可為約60-約95重量％且所述金屬催化劑的量可為約5-約40重量％。

所述金屬催化劑可包含鈀(Pd)和選自如下的至少一種其它金屬：鎳(Ni)、銥(Ir)、釕(Ru)、鈷(Co)、錳(Mn)、金(Au)、鐵(Fe)和銀(Ag)。鈀(Pd)與所述其它金屬的重量比可在約66.7∶33.3-約99.999∶0.001的比例范圍內。

所述金屬催化劑可包含鈀(Pd)，選自鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)、鐵(Fe)和銀(Ag)的第一其它金屬，以及選自銥(Ir)、釕(Ru)和金(Au)的第二其它金屬。鈀(Pd)對所述第一其它金屬對所述第二其它金屬的重量比可在約66.7∶33.2∶0.1-約99.998∶0.001∶0.001的比例范圍內。所述金屬催化劑可包含鈀(Pd)以及選自鎳(Ni)和銥(Ir)的至少一種其它金屬。

所述碳化鎢可包括在該碳化鎢的晶格結構外部的無定形碳，且所述無定形碳的量可為約0.1重量％或更小，基于該碳化鎢的重量。

本發明的另一方面提供電極催化劑，該電極催化劑包括碳化鎢和包含鈀(Pd)或鈀合金的金屬催化劑，所述碳化鎢包含約0.1重量份或更少的無定形碳，基于總的100重量份的該碳化鎢。

所述無定形碳在所述碳化鎢的晶格結構外部。

基于所述電極催化劑的總重量，所述碳化鎢的量可為約60-約95重量％且所述金屬催化劑的量為約5-約40重量％。

所述金屬催化劑可包含鈀(Pd)和選自如下的至少一種其它金屬：鎳(Ni)、銥(Ir)、釕(Ru)、鈷(Co)、錳(Mn)、金(Au)、鐵(Fe)和銀(Ag)。鈀(Pd)與所述其它金屬的重量比可在約66.7∶33.3-約99.999∶0.001的比例范圍內。

所述金屬催化劑可包含鈀(Pd)，選自鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)、鐵(Fe)和銀(Ag)的第一其它金屬，以及選自銥(Ir)、釕(Ru)和金(Au)的第二其它金屬。鈀(Pd)對所述第一其它金屬對所述第二其它金屬的重量比可在約66.7∶33.2∶0.1-約99.998∶0.001∶0.001的比例范圍內。所述金屬催化劑可包含鈀(Pd)以及選自鎳(Ni)和銥(Ir)的至少一種其它金屬。

本發明的另一方面提供包括與上面公開的電極催化劑的電極。

本發明的另一方面提供用于燃料電池的膜電極組件(MEA)，該MEA包括彼此面對的陰極和陽極以及介于所述陰極和陽極之間的電解質膜，其中所述陰極和陽極中的至少一個包括與上面公開的電極催化劑。所述電極可為陽極。