燃料电池催化剂的载体制造技术

通过用导电性碳化钛或氮化钛颗粒代替碳颗粒作为氧还原和氢氧化催化剂的载体来改善燃料电池的耐久性，该燃料电池具有聚合物电解质膜、其一个表面上具有阳极，在另一表面具有氧还原阴极。例如，沉积于纳米尺寸的碳化钛或氮化钛载体颗粒上的纳米尺寸的铂颗粒提供了出色的氧还原能力，并且在酸性环境耐腐蚀。优选地，为改善电极性能，在电极材料中碳化钛（氮化钛）上的催化剂与未负载催化剂的碳相混合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及低温酸性和碱性燃料电池，比如：在各电池里都使用了固体聚合物电解质膜的那些，其中在膜的每侧都具有包含催化剂的电极。更具体地，本专利技术涉及用于此类电池的催化剂载体材料。专利技术背景燃料电池是被开发用来产生动力(motive)和固定电能的电化学电池。一种燃料电池设计使用固体聚合物电解质(SPE)膜或者质子交换膜(PEM)，以在阳极和阴极之间提供离子转移。使用了能提供质子的气态和液态燃料。例子包括氢和甲醇，氢更受欢迎。氢供应给燃料电池的阳极，氧(作为空气)作为电池的氧化剂并被供应到电池的阴极。电极由多孔导电材料(如织造石墨、石墨化片或者碳纸)形成，以使燃料可以分散在面向燃料供应电极的膜表面上。每个电极都承载了经过细碎的、负载在碳颗粒上的催化剂颗粒(如：铂颗粒)，以促进氢在阳极的离子化和氧在阴极的还原。质子从阳极流经离子传导性的聚合物膜到达阴极，在那里他们与氧结合形成水，水从电池里排出。导体板移走在阳极形成的电子。目前，PEM燃料电池的现有技术使用由全氟化的离聚物(如杜邦公司的Nafion)制备的膜。这种离聚物带有可电离的侧基(如：磺酸盐基团)以从阳极经膜向阴极传输质子。一个阻碍大规模实施燃料电池技术的重大问题是在延长运行中和在正常汽车车辆运行中以及车辆停止/启动循环中的电力需求循环中性能的损失。本专利技术基于这样的认识：PEM燃料电池的相当一部分与氧还原电极催化剂的退化有关。这种退化可能是由于铂颗粒的生长、铂颗粒的溶解和碳载体材料的腐蚀而引起。电池里磺酸盐基团和水的存在产生了酸性环境，这种环境促使了各电池的电极中的上述变化。已经发现，在电势高于1.2V时，碳会被严重腐蚀，和当电势低于1.2V时，在碳表面加入铂颗粒显著增大腐蚀速率。这些过程导致铂催化剂活性表面面积的损失，这又导致氧电极性能的损失。然而，循环实验显示：仅仅是氢吸附面积的损失并不能解释氧还原活性的损失。其他因素包括-->来自于吸附的OH物质的干扰和吸附的OH物质的可能的位置交换(这可以改变铂催化剂对氧还原的电催化性质)。因此，铂与催化剂负载体的特定相互作用可对铂电催化剂性能的稳定性有巨大影响。专利技术概述按照本专利技术，作为燃料电池阴极或者两个电极上使用的催化剂颗粒的载体材料的碳被取代。使用碳化钛和/或氮化钛是因为它们有合适的电导率(即：电阻率在3-300μΩcm)和出色的抗氧化性及耐酸腐蚀性。碳化钛和/或氮化钛催化剂载体材料，特别是作为纳米尺寸颗粒的独特性质，可以获得增强的催化行为以及提高的燃料电池电极的耐久性。他们显示出良好的抗酸性，所述酸比如是燃料电池环境中的硫酸。碳(优选碳颗粒)与承载催化剂的钛化合物颗粒混合或者分散在其中。但碳不承载催化剂也不与其接触。这些特定的钛化合物适合于用作燃料电池里催化剂的载体。因此，氢-氧燃料电池堆里的每块电池的膜电极组合件将包括合适的质子交换膜，在膜的一侧有薄的氢氧化阳极和另一侧有氧还原阴极。至少在阴极或者两个电极中，催化剂被负载在纳米尺寸的碳化钛或者氮化钛或者这些金属化合物的混合物颗粒上。在优选实施方案中，由碳和纳米尺寸的TiC颗粒或TiN颗粒的披铂间隙化合物组成的复合材料被用作燃料电池里的催化剂载体材料，以促进铂电化催化剂与载体的相互作用并防止其在电势循环中的性能退化。铂和含有铂的合金是燃料电池应用中高效的和优选的催化剂。其他贵金属组合物也是适合的。碳化钛和/或氮化钛催化剂载体材料(没有承载催化剂的碳)的使用可用于低温(如低于大约200℃)的酸性和碱性燃料电池。通过将催化剂颗粒负载于碳化钛或氮化钛上，电池的耐腐蚀性能得到改善，而且通过将碳包含在电极材料中，电极的整体性能也得到改善。碳，优选作为碳颗粒，与负载着催化剂的碳化钛(或氮化钛)相混合，使得催化剂颗粒不和碳颗粒发生物理上的接触。本专利技术的其他目的与优点可以在随后的示例性优选实施方案的描述中变得更加明显。附图简述图1是用在组装燃料电池堆里的各电池中的固体聚合物电解质膜和-->电极组合件(MEA)组合的示意图。图2是图1中MEA的放大的不完整截面图。图3是经过20次循环、100次循环和500次循环后的三条循环伏安曲线的图，表示包含纳米尺寸碳化钛负载的铂的电极和可逆的氢电极(rhe)的电池的电流(i，mA)vs.电势(E，V/rhe)。该三个CN循环的曲线图说明Pt/TiN电极上氢吸附(HAD)的面积减少是循环次数的函数。HAD的面积由在阴极(降低的)电势扫描中通过0.35伏和0.05伏之间的电荷来决定。该电荷由0.05V到0.35伏在负电流时(即：在循环电位扫描降低部分上记录)所确定的伏安图的面积减去由于双层电容贡献的校正值而得到。图4是经过20次循环、100次循环和1000次循环后的三条循环伏安曲线的图，表示包括由纳米尺寸的碳化钛负载的铂与高表面积的碳颗粒混合而形成的电极和可逆的氢电极(rhe)的电池的电流(i，mA)vs.电势(E，V/rhe)。图4说明与含有与碳添加材料混合的沉积在纳米尺寸碳化钛上的铂催化剂的电极的循环次数相关的HAD面积的保持力。图5是经过20次循环、100次循环和500次循环后的三个循环伏安曲线图，表示包括纳米尺寸碳化钛负载的铂电极和可逆的氢电极(rhe)的电池的电流(i，mA)vs.电势(E，V/rhe)。图5说明，HAD面积的减少为包含沉积于纳米尺寸氮化钛上的铂催化剂的电极的循环次数的函数。图6是经过20次，100次和1000次循环后的三条循环伏安曲线的图，表示电池的电流(i，(mA))vs.电位(E，V/rhe)，该电池包括沉积在纳米尺寸氮化钛上的铂与高表面积的碳颗粒混合而形成的电极和可逆的氢电极(rhe)。图6说明，与含有与碳添加剂材料混合的沉积在纳米尺寸碳化钛上的铂催化剂的电极的循环次数相关的HAD面积的保持力。优选实施方案描述授予本专利技术的受让人的许多美国专利描述了含有固体聚合物电解质膜装置和电极组合件的电化学燃料电池组合件。例如，US 6277513的图1-4包含了这样的描述，该专利的说明书和附图作为参考被包括到本说明书里。本申请的图1说明作为在‘513专利中图1所说明的电化学电池一-->部分的膜电极组合件10。参考本说明书图1，膜电极组合件10包括阳极12和阴极14。例如，在氢/氧(空气)燃料电池里，氢在阳极12被氧化成H+(质子)，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种酸性或碱性燃料电池，其在不高于大约２００℃的温度运行，并包括：夹在阳极和氧还原阴极之间的聚合物电解质膜；该氧还原阴极包含承载于催化剂载体颗粒上的氧还原催化剂颗粒和碳；该催化剂载体颗粒基本由碳化钛和氮化钛的至少一种构成，而碳与催化剂载体颗粒彼此分散。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-5-2 60/676,7121.一种酸性或碱性燃料电池，其在不高于大约200℃的温度运行，
并包括：
夹在阳极和氧还原阴极之间的聚合物电解质膜；
该氧还原阴极包含承载于催化剂载体颗粒上的氧还原催化剂颗
粒和碳；该催化剂载体颗粒基本由碳化钛和氮化钛的至少一种构成，而碳
与催化剂载体颗粒彼此分散。
2.权利要求1所述的燃料电池，其中，所述氧还原阴极进一步包含
针对在载体颗粒上的催化剂和碳的聚合物黏合剂。
3.权利要求1所述的燃料电池，其中，所述氧还原催化剂包含贵金
属。
4.权利要求1所述的燃料电池，其中，所述氧还原催化剂包含铂或
者含有铂的合金。
5.权利要求1所述的燃料电池，其中，所述氧还原阴极包含碳颗粒。
6.一种燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：IC哈拉莱，B梅尔佐圭，MK卡彭特，S斯瓦蒂拉延，GC加拉贝迪安，AM曼斯，蔡梅，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]