[發(fā)明專利]包括銥和鎢的金屬間化合物的催化劑組件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410043872.6
• 申請日: 2014-01-29
• 公開（公告）號(hào): CN103972519B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 帕特里克·皮埃特瑞茲;楊俊;馬克·S·蘇萊克
• 申請（專利權(quán)）人: 福特全球技術(shù)公司
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90
• 代理公司: 北京銘碩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11286
• 代理人: 劉燦強(qiáng),鄭玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種包括銥和鎢的金屬間化合物的催化劑組件及該催化劑組件的制造方法。

背景技術(shù)

燃料電池作為電源在許多應(yīng)用中被使用。特別地，燃料電池被提出用在汽車中以取代內(nèi)燃機(jī)。通常使用的燃料電池設(shè)計(jì)采用質(zhì)子交換膜(PEM)以在陽極和陰極之間提供離子傳輸。

在質(zhì)子交換膜型燃料電池中，氫被供應(yīng)到陽極作為燃料，氧被供應(yīng)到陰極作為氧化劑。氧可以是純形式(O₂)或者空氣(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料電池通常具有膜電極組件(MEA)，在膜電極組件中，固體聚合物膜在一面具有陽極催化劑而在相對面具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層由多孔導(dǎo)電材料（例如編織石墨、石墨化片或碳紙）形成，以使燃料能夠在燃料供應(yīng)電極的催化劑的整個(gè)表面上分散。典型地，每個(gè)電極具有良好地分開的催化劑顆粒，負(fù)載在碳顆粒上，以促進(jìn)在陽極的氫的氧化和在陰極的氧的還原。質(zhì)子流從陽極經(jīng)過離子傳導(dǎo)聚合物膜流到陰極，在陰極處，質(zhì)子與氧結(jié)合形成水，水從電池排出。

MEA被夾在一對多孔氣體擴(kuò)散層(GDL)之間，繼而被夾在一對非多孔的、導(dǎo)電的元件或板之間。GDL也被稱為基體層(base layer)。所述板用作陽極和陰極的集流體，并且包含形成在其中的合適的通道和開口以使燃料電池的氣體反應(yīng)物分布在各陽極和陰極催化劑的整個(gè)表面上。為了高效地發(fā)電，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須是薄的、化學(xué)穩(wěn)定的、可傳輸質(zhì)子的、非導(dǎo)電的和不透氣的。在典型的應(yīng)用中，燃料電池以許多電池的組被提供為堆。為了提供高水平的電力，可通過采用許多單獨(dú)的燃料電池堆的陣列或者增加單個(gè)堆中的電池?cái)?shù)目來獲得更高的電力輸出。

燃料電池由于其高的能量效率和其對環(huán)境的零溫室氣體排放而被追捧為運(yùn)輸工具的動(dòng)力源。然而，燃料電池的廣泛商業(yè)化面臨著許多限制，尤其與相對高成本的燃料電池催化劑有關(guān)。在燃料電池設(shè)備中使用的一些催化劑金屬包括非常昂貴的貴金屬和過渡金屬，諸如鉑。傳統(tǒng)的燃料電池催化劑常常需要每平方厘米大約0.3至4毫克的量的貴金屬，例如鉑。據(jù)估算，貴金屬催化劑的總成本達(dá)到低溫燃料電池制造總成本的百分之七十五（75%）。

發(fā)明內(nèi)容

在一個(gè)或更多實(shí)施例中，催化劑組件包括W和Ir的金屬間化合物。W與Ir的重量比在第一比率與第二比率之間的范圍內(nèi)。催化劑被負(fù)載在基底上并與基底接觸。催化劑包括至少一種貴金屬。基底和催化劑的組合的比活度在2400μA/cm²至3600μA/cm²的范圍內(nèi)。W和Ir的金屬間化合物的X射線衍射(XRD)圖譜包括單獨(dú)地在原子W或Ir的XRD圖譜中不存在的一個(gè)或更多個(gè)峰。基底可以具有10nm至50nm的厚度。基底厚度與催化劑厚度可以在2:1至10:1的范圍內(nèi)。

相對于基底的總重量，Ir和W的組合重量百分比可不小于90%。

所述催化劑組件還可包括基體，基底可被設(shè)置在基體和催化劑之間。

基體可包括氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層可從由玻璃態(tài)碳、石墨化碳、二氧化硅、碳纖維、陶瓷、塑料、高沖擊塑料、玻璃、鋼化玻璃、熔巖、光滑熔巖及其組合構(gòu)成的組中選取。

W和Ir的金屬間化合物的XRD圖譜可包括位于33至41的2θ處的峰和位于23至31的2θ處的峰中的至少一個(gè)峰。

與位于39至47的2θ處且相對強(qiáng)度為100%的峰相比，位于33至41的2θ處的峰的相對強(qiáng)度可為42%至50%。

與位于39至47的2θ處且相對強(qiáng)度為100%的峰相比，位于23至31的2θ處的峰的相對強(qiáng)度可為31%至39%。

在一個(gè)或更多實(shí)施例中，描述了一種催化劑組件，該催化劑組件包括：基底，所述基底包括W和Ir的金屬間化合物；以及催化劑，所述催化劑負(fù)載在基底上并與基底接觸，并且所述催化劑包括至少一種貴金屬催化劑，基底厚度與催化劑厚度的比率為2:1至10:1。

在一個(gè)或更多實(shí)施例中，描述了形成催化劑組件的方法。所述方法包括在基體上沉積Ir和W的基底層。所述Ir和W的基底層在基體上形成W和Ir的金屬間化合物。催化劑包括貴金屬。所述催化劑被沉積到基底層上并與基底層接觸。

在一個(gè)或更多實(shí)施例中，描述了形成催化劑組件的方法。該方法包括：在基體上沉積Ir和W的基底層，以在基體上形成W和Ir的金屬間化合物；以及在W和Ir的金屬間化合物上沉積包括貴金屬的催化劑。

在基體上沉積Ir和W的基底層的步聚可包括在基體上共濺射Ir和W以形成Ir和W的金屬間化合物。