[發明專利]燃料電池氧化還原反應催化劑

有效

• 申請號: 201710560020.8
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107623133B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 凱莉·K·加思;魯自界;徐淳川;楊俊
• 申請（專利權）人: 福特全球技術公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 王秀君;魯恭誠

公開了一種燃料電池氧化還原反應催化劑及其生產方法。所述燃料電池氧化還原反應催化劑包括：碳粉末基底；非晶導電金屬氧化物中間層，位于基底上；以及多個鏈狀電催化劑顆粒束，結合到所述層以形成位于其上的具有多達10個原子單層的厚度的互連的網狀膜。

技術領域

本公開涉及一種燃料電池氧化還原反應(ORR)陰極催化劑以及制造該催化劑的方法。

背景技術

諸如質子交換膜燃料電池(PEMFC)的燃料電池由于零排放產生以及增強的能源安全而代表有吸引力的電力來源。每個燃料電池的主要組分之中有兩個電極和離子導電電解質。電極的設計需要材料和生產工藝的精細優化，以確保氣體、電子和質子的良好的電導率，使得所得電極是有效的、不易于液泛(flooding)并且在使用期間不會過度劣化。為了改善電極的催化性能，期望將ORR催化劑包括到陰極上。為了沉積催化劑，已經開發了包括化學氣相沉積的各種基于溶液的方法。

發明內容

在至少一個實施例中，公開了一種燃料電池氧化還原反應催化劑。催化劑可以包括碳粉末基底。催化劑還可以包括位于基底上的非晶導電金屬氧化物中間層。催化劑可以另外地包括結合到所述層以形成位于所述層上的具有多達10個原子單層的厚度的互連的網狀膜的多個鏈狀電催化劑顆粒束。鏈狀電催化劑顆粒束可以包括鉑。與鏈狀電催化劑顆粒束相關的電催化劑負載量可以是大約5wt.％至30wt.％。與鏈狀電催化劑顆粒束相關的電催化劑在25,000次循環后的壽命末期質量活性可以是大約150A/g至200A/g。中間層可以呈具有不平坦表面的不規則形狀。金屬氧化物可以是NbO_x。碳粉末基底可以包括石墨烯薄片。

在另一個實施例中，公開了一種燃料電池氧化還原反應催化劑。催化劑可以包括碳粉末基底。催化劑還可以包括多個鏈狀電催化劑顆粒束。顆粒束可以結合到碳粉末基底以形成位于其上的具有多達10個原子單層的厚度的互連的網狀膜。鏈狀電催化劑顆粒束可以包括鉑。與鏈狀電催化劑顆粒束相關的電催化劑負載量可以是大約5wt.％至30wt.％。與鏈狀電催化劑顆粒束相關的電催化劑在25,000次循環后的壽命末期質量活性可以是大約150A/g至330A/g。碳粉末基底可以包括石墨烯薄片。

在又一個實施例中，公開了制備燃料電池氧化還原反應催化劑的方法。方法可以包括，在真空室內，在側向定向的正在旋轉的流體化筒中混合碳粉末基底，使得基底反復地移向筒的頂部然后落到筒的底部。方法還可以包括將電催化劑顆粒真空沉積到正在下落的基底上以形成結合到基底的鏈狀電催化劑顆粒束。筒可以以大約1rpm至15rpm的速度旋轉?？梢詫嵤㈦姶呋瘎╊w粒真空沉積到正在下落的基底上，直至與基底結合的鏈狀電催化劑顆粒束形成為具有多達10個原子單層的厚度的層。鏈狀電催化劑顆粒束可以包括鉑。與鏈狀電催化劑顆粒束相關的電催化劑負載量可以是大約5wt.％至30wt.％。與鏈狀電催化劑顆粒束相關的電催化劑在25,000次循環后的壽命末期質量活性可以是大約150A/g至200A/g。碳粉末基底可以包括具有不平坦表面的不規則形狀的金屬氧化物顆粒。

在另外的實施例中，公開了一種生產燃料電池氧化還原反應催化劑的方法。方法可以包括，在真空室內，在傳送帶上遞送碳粉末基底使得基底反復地移向傳送帶的頂部然后落到傳送帶的底部。方法還可以包括將電催化劑顆粒真空沉積到正在下落的基底上以形成結合到基底的鏈狀電催化劑顆粒束。

附圖說明

圖1描繪了根據一個或更多個實施例的示例燃料電池單元的分解示意圖；

圖2A描繪了通過典型的直角物理氣相沉積(PVD)方法沉積到基底上的電催化劑顆粒的示意性聚集體；

圖2B和圖2C是具有通過典型的直角PVD方法沉積到其上的電催化劑顆粒的基底的暗場掃描透射電子顯微鏡(STEM)照片；

圖3A描繪了通過在流態化基底上進行的PVD方法沉積到基底上的示意性鏈狀電催化劑顆粒束；