[發明專利]形狀可控的鈀和鈀合金納米顆粒催化劑

有效

• 申請號: 201180065627.X
• 申請日: 2011-01-19
• 公開（公告）號: CN103370821A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: M·邵
• 申請（專利權）人: UTC電力公司
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M8/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 鄒雪梅;楊思捷

背景

用于燃料電池的成組的電極組件，其包括陽極、陰極以及陽極和陰極之間的電解質。在一個實例中，將氫氣進料至陽極，以及將空氣或純氧進料至陰極。然而，已經認識到可以使用其它類型的燃料和氧化劑。在陽極處，陽極催化劑促使氫分子分裂成質子(H⁺)和電子(e^-)。在所述電子經過外部電路到達陰極的同時所述質子穿過電解質到達陰極，從而導致電流的產生。在陰極處，陰極催化劑促使氧分子與來自陽極的質子和電子反應形成水，其被從系統移除。

所述陽極催化劑和陰極催化劑通常包括鉑或鉑合金。鉑是高成本的貴金屬。已經做了很多工作來減少陰極中鉑的裝載量以降低生產成本。此外，已經做了工作來改進氧還原陰極中的氧還原動力學以提高燃料電池的效率。

概述

用于燃料電池的成組的電極組件(UEA)包括陽極電極、陰極電極、電解質以及鈀催化劑納米顆粒。所述電解質位于所述陰極電極和所述陽極電極之間。所述鈀催化劑納米顆粒位于所述電解質與所述陽極電極和所述陰極電極之一之間。所述鈀催化劑納米顆粒具有{100}富集結構。所述鈀催化劑納米顆粒的大部分表面積暴露于所述UEA環境。

附圖的簡要描述

圖1是具有催化劑層的燃料電池重復單元的透視圖。

圖2是圖1所示的燃料電池重復單元的催化劑層的放大視圖。

圖3是具有富集{100}結構的鈀納米顆粒的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。

具體描述

本文描述了在燃料電池的成組的電極組件(UEA)中用作催化劑的鈀納米顆粒。所述鈀納米顆粒具有{100}富集結構。規則的或非形狀可控的鈀在UEA環境中是不穩定的并且具有比鉑更低的氧還原反應(ORR)活性。然而，發現具有{100}富集結構的鈀納米顆粒出人意料地具有比得上碳載鉑催化劑的活性。

燃料電池用一個或多個燃料電池重復單元將化學能轉換為電能。圖1示例了燃料電池重復單元10的一個實例的透視圖，其包括成組的電極組件(UEA)12(具有陽極催化劑層(CL)14、電解質16、陰極催化劑層(CL)18、陽極氣體擴散層(GDL)20和陰極氣體擴散層(GDL)22)，陽極流場24和陰極流場26。燃料電池重復單元10可以具有與陽極流場24和陰極流場26相鄰近的冷卻劑流場。冷卻劑流場沒有示例于圖1中。

陽極GDL20面對陽極流場24并且陰極GDL22面對陰極流場26。陽極CL14位于陽極GDL20和電解質16之間，并且陰極CL18位于陰極GDL22和電解質16之間。這個組件一旦以已知的技術結合在一起就被稱為成組的電極組件(UEA)12。在一個實例中，燃料電池重復單元10是使用氫燃料(即氫氣)和氧氧化劑(即氧氣或空氣)的質子交換膜燃料電池(PEMFC)。意識到燃料電池重復單元10可使用替代的燃料和/或氧化劑。

在操作時，陽極GDL20經由陽極流場24接收氫氣(H₂)。包含催化劑諸如鉑的陽極CL14促使氫分子分裂成質子(H⁺)和電子(e^-)。所述質子和電子移動至陰極CL18；所述質子穿過電解質16到達陰極CL18，同時所述電子經過外部回路28，導致電力的產生。空氣或純氧(O₂)經過陰極流場26供應至陰極GDL22。在陰極CL18處，氧分子與來自陽極CL14的質子和電子反應形成水(H₂O)，其隨著多余的熱量離開燃料電池10。

電解質16位于陽極CL14和陰極CL18之間。電解質16允許質子和水的移動但不傳導電子。來自陽極CL14的質子和水能穿過電解質16移動至陰極CL18。電解質16可以是液體諸如磷酸，或固體膜諸如包含全氟磺酸(PFSA)的聚合物或離聚物。PFSA聚合物由具有連接于短氟碳側鏈上的磺酸根的氟碳骨架組成。實例PFSA聚合物包括E.I.DuPont，USA的電解質16可以是吸收電解質或非吸收電解質。吸收電解質包括但不限于硫酸和磷酸。非吸收電解質包括但不限于PFSA聚合物和高氯酸。

陽極CL14與電解質16的陽極側相鄰。陽極CL14包括促進燃料(即氫)的電化學氧化的催化劑。用于陽極CL14的實例催化劑包括碳載鉑原子。可選擇的，陽極CL14可以包括下面描述的關于陰極CL18的鈀催化劑納米顆粒。

陰極CL18與電解質16的陰極側相鄰，與陽極CL14相對。陰極CL18包括促進氧化劑(即氧)的電化學還原的催化劑。如以下進一步描述的，所述催化劑包含具有富集{100}結構的鈀納米顆粒。