用于燃料电池的催化剂复合物及其制备方法技术

本发明专利技术涉及用于燃料电池的催化剂复合物及其制备方法，所述催化剂复合物可以抑制燃料电池中的电池电压反转。所述催化剂复合物包括载体、第一催化活性材料和第二催化活性材料，所述第一催化活性材料负载在载体上并包含铂组分，所述铂组分包括选自铂和铂合金中的一种或多种，所述第二催化活性材料负载在载体上并包含选自除铂以外的贵金属及其氧化物中的一种或多种，并且所述载体包括含氧官能团。并且所述载体包括含氧官能团。并且所述载体包括含氧官能团。

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池的催化剂复合物及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种催化剂复合物及其制备方法，所述催化剂复合物可以抑制由于电池电压反转而发生的问题。

技术介绍

[0002]用于车辆的燃料电池需要在各种驱动条件下具有数十千瓦或更高的高输出性能，因此必须在较宽的电流密度范围内运行。
[0003]膜电极组件(MEA)位于燃料电池堆的单元电池结构的最内部位置。MEA包括阴极、阳极和位于阴极和阳极之间以在两个电极之间传输质子的电解质膜。
[0004]气体扩散层(GDL)和垫圈堆叠在阴极和阳极的外表面上。隔膜(或双极板)设置在GDL的外部并且构造成提供流场，反应气体、冷却水和由于反应而产生的水在所述流场中流动。
[0005]燃料电池中发生的电化学反应如下。供应至燃料电池阳极(作为氧化电极)的氢分离成质子和电子。质子和电子分别通过电解质膜和外电路移动至作为还原电极的阴极。在阴极，质子和电子与氧分子反应，从而产生电和热，同时产生作为副产物的水。
[0006]当燃料电池中存在适量的水时，水适当地用于维持MEA的潮湿，但是，当燃料电池中存在过量的水时，会在高电流密度下发生溢流。溢流的水会干扰反应气体向燃料电池内部的供应。
[0007]当由于燃料电池中的水溢流、冬季结冰、供氢设备异常等导致阳极中用作燃料的氢的量不足时，会发生电池电压反转。这种电池电压反转对燃料电池的性能有致命的影响，并因此大大降低电池电压。
[0008]具体而言，当阳极中氢气的量不足时，阳极电压V
阳极
增加。当阳极电压V
阳极
不断增加时，阳极电压V
阳极
变得大于阴极电压V
阴极
，从而燃料电池达到电池电压V
电池
小于0(V
电池
＝V
阴极
–
V
阳极
<0)的电池电压反转状态。
[0009]在电池电压反转状态下，将发生如下所述的水电解。
[0010]H2O
→
1/2O2+2H
+
+2e
‑
，E0＝1.229V(vs.SHE)
[0011]此处，E0为标准电极电位，SHE为标准氢电极。
[0012]然而，当此后阳极电压V
阳极
不断增加时，阳极处的碳腐蚀加速，这将在下面描述。
[0013]C+2H2O
→
CO2+4H
+
+4e
‑
，E0＝0.207V(vs.SHE)
[0014]C+H2O
→
CO+2H
+
+2e
‑
，E0＝0.518V(vs.SHE)
[0015]此外，当电池电压反转状态持续并因此电池电压变得小于约
‑
2V时，燃料电池过度放热，因此可能损坏MEA和GDL。此外，可能导致严重的问题，例如在MEA中形成针孔和燃料电池的单元电池的电短路。
[0016]以往，为了防止电池电压反转状态的持续，提出了使用传感器等监视氢供应状态的系统，但该方法不能从根本上解决上述问题。
[0017]公开于该专利技术
技术介绍
部分的上述信息仅仅旨在加深对专利技术背景的理解，因此其
可包括的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0018]在一个优选的方面，提供了一种催化剂及其制备方法，所述催化剂在燃料电池发生电池电压反转时可引起水电解而不是碳腐蚀。在一个优选的方面，提供了一种催化剂及其制备方法，其中高含量的催化活性材料均匀地负载在载体上。
[0019]还提供了一种具有优异耐久性的催化剂及其制备方法，所述催化剂增加了载体和催化活性材料之间的结合力，从而即使在恶劣的条件下(例如电池电压反转)也能保持活性。
[0020]一方面，提供了一种用于燃料电池的催化剂，包括载体、第一催化活性材料和第二催化活性材料，所述第一催化活性材料负载在载体上并包含铂组分，所述铂组分包括选自铂和铂合金中的一种或多种，所述第二催化活性材料负载在载体上并包含选自除铂以外的贵金属及其氧化物中的一种或多种。特别地，载体可包括含氧官能团。
[0021]载体可包括碳材料和官能团，所述碳材料包括选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、石墨烯和石墨烯氧化物中的一种或多种，所述官能团键合至或连接至碳材料的碳原子。
[0022]官能团可包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。
[0023]载体可以构造成使得在C1s X射线光电子能谱(XPS)中表示C
‑
O键合能的载体峰面积的总和等于或大于载体峰总面积的约35％。
[0024]载体可以构造成使得载体的拉曼光谱的D峰强度与G峰强度之比(D/G)等于或大于约1.1。
[0025]第二催化活性材料可以连接至包含在官能团中的氧。
[0026]铂合金可以为铂与一种或多种选自镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、锰(Mn)和锡(Sn)的过渡金属的合金。
[0027]第二催化活性材料可包括选自铱(Ir)、钌(Ru)、铱氧化物(IrO
x
)、钌氧化物(RuO
x
)、钛氧化物(TiO
x
)、锰氧化物(MnO
x
)、铱
‑
钌氧化物(Ir
‑
RuO
x
)、铂
‑
铱(Pt
‑
Ir)、铂
‑
铱氧化物(Pt
‑
IrOx)、铱
‑
钯(Ir
‑
Pd)、铑(Rh)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)和钼(Mo)、铝(Al)中的一种或多种。
[0028]第一催化活性材料可包括铂，第二催化活性材料可包括铱氧化物(IrO
x
)，并且铂与铱的重量比可为约1:0.5
‑
1。
[0029]一方面，提供了一种制备用于燃料电池的催化剂的方法。该方法可包括制备包括除铂以外的贵金属的溶液；将负载有铂组分的载体放入溶液中，所述铂组分包括选自铂和铂合金中的一种或多种；将除铂以外的贵金属加载在载体上；将加载在载体上的除铂以外的贵金属氧化。特别地，载体可包括含氧官能团。
[0030]在溶液中，除铂以外的贵金属可以以纳米颗粒的形式存在。
[0031]载体可包括碳材料和官能团，所述碳材料包括选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、石墨烯和石墨烯氧化物中的一种或多种，所述官能团键合至碳材料的碳原子。
[0032]官能团可包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。
[0033]载体构造成使得载体的拉曼光谱的D峰强度与G峰强度之比(D/G)等于或大于约1.1。
[0034]该方法还可包括将通过将负载有铂组分的载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于燃料电池的催化剂，包括：载体；第一催化活性材料，所述第一催化活性材料负载在载体上并包含铂组分，所述铂组分包含选自铂和铂合金中的一种或多种；和第二催化活性材料，所述第二催化活性材料负载在载体上并包含选自除铂以外的贵金属及其氧化物中的一种或多种，其中所述载体包括含氧官能团。2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述载体包括：碳材料，所述碳材料包括选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、石墨烯和石墨烯氧化物中的一种或多种；和官能团，所述官能团键合至碳材料的碳原子。3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述官能团包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述载体构造成使得在C1s X射线光电子能谱中表示C
‑
O键合能的载体峰面积的总和等于或大于载体峰总面积的35％。5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述载体构造成使得载体的拉曼光谱的D峰强度与G峰强度之比等于或大于1.1。6.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述第二催化活性材料连接至官能团中包含的氧。7.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，铂合金为铂的合金且包括一种或多种选自镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、锰(Mn)和锡(Sn)的过渡金属。8.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述第二催化活性材料包括选自铱(Ir)、钌(Ru)、铱氧化物(IrO
x
)、钌氧化物(RuO
x
)、钛氧化物(TiO
x
)、锰氧化物(MnO
x
)、铱
‑
钌氧化物(Ir
‑
RuO
x
)、铂
‑
铱(Pt
‑
Ir)、铂
‑
铱氧化物(Pt
‑
IrOx)、铱
‑
钯(Ir
‑
Pd)、铑(Rh)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和铝(Al)中的一种或多种。9.根据权利要求1所述的用于燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大用，柳丁汉，金柄秀，李贤株，金嬉恩，
申请(专利权)人：起亚株式会社韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：