[發明專利]用于燃料電池的負載的催化劑材料、其制造方法以及具有此類催化劑材料的電極結構

有效

• 申請號: 201710141202.1
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN107180970B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: T.施拉特;T.格拉夫
• 申請（專利權）人: 大眾汽車有限公司;奧迪股份公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 邵長準;楊思捷

本發明涉及用于燃料電池的負載的催化劑材料、其制造方法以及具有此類催化劑材料的電極結構。具體地，本發明涉及用于燃料電池(10)的負載的催化劑材料(20)。其包含導電的碳基載體材料(21)和沉積或生長在載體材料(21)上的催化結構(28)，該催化結構具有多層結構（核殼結構）。在此，核心層(23)包含導電的體積材料，該體積材料設置為與碳基載體材料(21)直接接觸。薄的表面層(26)具有催化活性貴金屬或其合金。通過將相應起始材料從氣相中直接沉積到載體材料(21)上，實現所述制造。

技術領域

本發明涉及用于燃料電池的碳-負載的催化劑材料以及具有此類催化劑材料的電極結構和燃料電池。本發明此外涉及制造該負載的催化劑材料的方法。

背景技術

燃料電池利用燃料與氧氣生成水的化學反應以產生電能。為此，燃料電池含有所謂的膜-電極-組件（MEA）作為核心部件，其是由離子傳導（大多為質子傳導）膜和各一個設置在該膜兩側面上的催化電極（陽極和陰極）形成的結構。該催化電極大多包含負載的貴金屬，特別是鉑。此外，氣體擴散層（GDL）可以在該膜-電極-組件的兩側設置在這些電極的背離該膜的側面上。通常，燃料電池由多個以堆疊體形式設置且其電功率相加的MEA形成。在各個膜-電極-組件之間通常設置雙極板 （也稱為流場板或隔板），其確保為單電池提供運行介質，即反應物并通常還用于冷卻。此外，這些雙極板負責與膜-電極-組件的導電接觸。

在燃料電池運行中，燃料（陽極運行介質），特別是氫氣H₂或含氫氣的氣體混合物經由雙極板的陽極側敞開的流場供給陽極，在此處由H₂電化學氧化生成質子H⁺并放出電子（H₂ 2 H⁺ + 2 e^–）。通過將反應空間氣密性彼此分隔并電絕緣的電解質或膜，實現從陽極空間至陰極空間中的（水結合或無水）的質子傳輸。在陽極上提供的電子通過電導線供給陰極。經由雙極板的陰極側敞開的流場為陰極供應氧氣或含氧氣的氣體混合物（例如空氣）作為陰極運行介質，以使得由O₂還原生成O^2-并吸收電子（? O₂ + 2 e^– O^2-）。同時，在陰極空間中，氧陰離子與經膜傳輸的質子反應并形成水（O^2- + 2 H⁺ H₂O）。

在燃料電池中，通常鉑充當用于燃料電池反應的催化劑。因為這涉及電化學表面工藝，力求盡可能大的催化表面積（ECSA）。為此，將若干納米數量級的鉑粒子施加到具有大表面積的碳載體上。此外，通過其它元素（尤其鈷和鎳）的加合金提高該催化劑的活性，以能確保更高的燃料通過量和因此高的電功率。但是，在燃料電池運行過程中，由于電極退化損失一部分電功率。對此的原因尤其是由于（不利的）運行條件的ECSA和活性損失。所基于的機理尤其包括鉑的溶解（鉑腐蝕）、合金元素鈷或鎳的腐蝕、鉑納米粒子由于奧斯瓦爾德熟化的生長、鉑納米粒子由于在碳表面上的遷移和燒結的生長、鉑粒子從碳載體上的脫離。

為了抵抗催化活性的損失并能因此確保燃料電池運行時間內的功率要求，通常在制造電極時使用額外量的貴金屬。但是，這一措施相當耗費成本。為了實現燃料電池中的鉑量的持續降低，必須一方面改進鉑粒子或鉑合金粒子的耐腐蝕性并另一方面改進其在碳表面上的粘附。