[發明專利]燃料電池用電極催化劑、其制法、膜電極組件和燃料電池

有效

• 申請號: 201210284613.3
• 申請日: 2012-08-10
• 公開（公告）號: CN103022518A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 李康熙;樸燦鎬;劉大鐘;晉善雅
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社;三星SDI株式會社
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M8/02;B01J23/44;B01J23/46;B01J23/89;B01J23/656;B01J23/62
• 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

本公開內容涉及用于燃料電池的電極催化劑、其制備方法和包括所述電極催化劑的膜電極組件、以及包括所述膜電極組件的燃料電池。

背景技術

根據電解質和燃料的類型，燃料電池可分為聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)等。

典型地，PEMFC和DMFC各自包括包含陽極、陰極和介于陽極與陰極之間的聚合物電解質膜的膜-電極組件(MEA)。陽極包括用于促進燃料的氧化的催化劑層，且陰極包括用于促進氧化劑的還原的催化劑層。

通常，作為陽極和陰極的組成部分，使用包含鉑(Pt)作為活性元素的催化劑。然而，基于Pt的催化劑是昂貴的貴金屬，且對用于在大規模制造可商購的燃料電池時用在電極催化劑中的Pt的需求仍然高且由此需要系統成本的降低。

因此，存在開發減少Pt的量并提供優異的電池性能的電極催化劑的需要。

發明內容

提供用于燃料電池中并提供優異的催化活性的電極催化劑及其制備方法。

提供包括所述電極催化劑的膜電極組件和包括所述膜電極組件的燃料電池。

另外的方面將在隨后的描述中部分地闡明，且部分地將從所述描述明晰，或者可通過所提供的實施方式的實踐獲知。

根據本發明的一個方面，提供用于燃料電池的電極催化劑，其包括包含具有氧還原活性的貴金屬和13族元素的結晶催化劑顆粒，其中所述13族元素存在于所述結晶催化劑顆粒的晶胞中。

所述電極催化劑可滿足以下方程式1~3的至少一個：

<方程式1>???<方程式2>???<方程式3>

D₂(X)>D₁(X)?D₂(Y)>D₁(Y)?D₂(Z)>D₁(Z)

在方程式1~3中，D₂(X)、D₂(Y)和D₂(Z)分別表示所述結晶催化劑顆粒的晶胞的彼此平行的晶面之間的距離之中與X軸、Y軸和Z軸平行的距離，并且D₁(X)、D₁(Y)和D₁(Z)分別表示第一催化劑顆粒的晶胞的彼此平行的晶面之間的距離之中與X軸、Y軸和Z軸平行的距離，其中所述第一催化劑顆粒具有與所述結晶催化劑顆粒相同的結構，除了其中不包含所述13族元素之外。

所述電極催化劑可滿足以下方程式4：

<方程式4>

A₂>A₁

在方程式4中，A₂為所述結晶催化劑顆粒的晶格常數，且A₁為除了其中不包含所述13族元素之外具有與所述結晶催化劑顆粒相同的結構的第一催化劑顆粒的晶格常數。

所述電極催化劑可進一步包括碳質載體。

根據本發明的另一方面，提供制備用于燃料電池的電極催化劑的方法，該方法包括：提供包含具有氧還原活性的貴金屬的前體和13族元素的前體的混合物；和將所述混合物中的所述前體還原以形成用于燃料電池中并包括包含具有氧還原活性的貴金屬和13族元素的結晶催化劑顆粒的電極催化劑，其中所述13族元素存在于所述結晶催化劑顆粒的晶胞中。

根據本發明的另一方面，用于燃料電池的膜電極組件包括：陰極；面對所述陰極設置的陽極；和介于所述陰極與所述陽極之間的電解質膜，其中所述陰極和所述陽極的至少一個包括所述電極催化劑。所述陰極可包括所述電極催化劑。

根據本發明的另一方面，提供包括所述膜電極組件的燃料電池。

附圖說明

從結合附圖考慮的實施方式的下列描述，這些和/或其它方面將變得明晰和更容易地理解，在附圖中：

圖1B為根據本發明實施方式的電極催化劑的結晶催化劑顆粒的晶胞的示意圖，且圖1A為除了不包含13族元素之外具有與圖1B中所示的結晶催化劑顆粒相同的結構的第一催化劑顆粒的晶胞的示意圖；

圖2為根據本發明實施方式的燃料電池的分解透視圖；

圖3為圖2的燃料電池的膜-電極組件(MEA)的示意性橫截面圖；

圖4顯示根據實施例1和對比例1制備的催化劑的X-射線衍射圖案；