[发明专利]一种评估用于电池的电极催化剂的性能的方法、搜索方法、用于电池的电极催化剂和使用所述电极催化剂的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种评估用于电池的电极催化剂的性能的方法、搜索方法、用于燃料电池的具有小的过电压和被所述搜索方法发现的优良发电性能的电极催化剂以及使用所述电极催化剂的燃料电池

背景技术

由于电池反应的生成物主要是水，所以作为一种对全球环境几乎没有任何不利影响的清洁发电系统，燃料电池引起了关注。例如，一种聚合物电解质燃料电池，其包括传导质子的固体聚合物电解质膜，在膜的每侧具有一对电极，所述电池通过向电极之一(燃料电极：阳极)供应氢气作为燃料气体和向另一个电极(空气电极：阴极)供应氧气或者空气来获得电动势。

由于(1)对具有高离子传导率的聚合物电解质膜的开发；(2)使用以聚合物电解质膜涂敷的负载催化剂的碳和用于电极催化剂层组成材料的同质或异质离子交换树脂(聚合物电解质)，特别是由于可在三维上实施所述催化剂层中的所谓反应点的事实，聚合物电解质燃料电池显著地提高了电池的性能。并且，除了获得这种高电池性能外，由于可以把电池制造得更小更轻，因此聚合物电解质燃料电池有希望在例如电动汽车的移动车辆、在小型热电联产系统等中用作电源。

通常，聚合物电解质燃料电池中使用的气体扩散电极由催化剂层和气体扩散层组成，所述催化基层包括上述以离子交换树脂涂敷的负载碳的催化剂，所述扩散层将反应气体送到催化剂层并且收集电子。在催化剂层中包括由细孔构成的空隙，其在作为组成成分的碳的二次颗粒或三次颗粒中形成。这些空隙用作反应气体的扩散流动路径。通常使用贵金属，例如在离子交换树脂中稳定的铂和铂合金，作为催化剂。

通常，在聚合物电解质燃料电池中，使用在所负载的炭黑上的例如铂或者铂合金的贵金属催化剂作为电极的阴极和阳极催化剂。通常，如下制备炭黑负载的铂：将亚硫酸氢钠加入氯铂酸溶液中，然后将所得混合物与过氧化氢溶液反应，在炭黑上负载所形成的铂胶体，然后清洗，并且可选地热处理。通过在聚合物电解质溶液中分散炭黑负载的铂以制备墨汁，再将该墨汁涂敷在例如碳纸的气体扩散基底上并且干燥，可制造聚合物电解质燃料电池的电极。电解质膜电极组件(MEA)通过在两个电极间夹入聚合物电解质膜并且热压来组装。

提高催化剂活性和发电性能是聚合物电解质燃料电池中最大的技术挑战。许多公开讨论了该问题，包括，例如，日本专利公开(Kokai)No.2005-135817A。这些公开展示提供一种用于燃料电池的电极催化剂，在所述燃料电池中，在固体聚合物燃料电池中贵金属，特别是铂，的用量减少；提供一种用于燃料电池的具有在无定形碳粉末载体上负载的铂催化剂的电极催化剂，其中无定形碳粉末平均颗粒尺寸是15到80nm，并且BET比表面积大于或等于1500m²/g，直径小于2nm的孔的全部孔体积大于或等于0.8cm³/g，直径小于2nm的孔的全部孔体积相对于整个孔体积大于或等于60％，以及所负载的催化剂的量是全部颗粒的5％到70质量％。

然而，在日本专利公开(Kokai)No.2005-135817A中，因为电极催化剂根据平均颗粒尺寸、比表面积、孔体积和载体的催化剂质量限定，所以过电压不能被限定的事实是一个问题。因为所述特性由载体特性(比表面积等)而不是根据催化剂特性来限定，并且没有基于电化学的实验值的限定，所以可认为过电压不能被限定。

已经发现，过电压与催化剂表面上的氧化膜有很大相关。因而，为了限定过电压，需要限定催化剂特性和与基于电化学的实验值相关的值。

在聚合物电解质燃料电池中，含氢气体(燃料气体)用作阳极反应气体，而含氧气体，例如空气，用作阴极反应气体。在这种情况下，在阳极和阴极分别进行公式(1)和(2)表示的下述电极反应，由此通过进行公式(3)表示的整个电池反应产生电动势。

H²→2H⁺+2e^-    (1)

(1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O  (2)

H²+(1/2)O₂→H₂O   (3)

然而，在常规聚合物电解质燃料电池中，因为公式(2)表示的氧还原反应的活化过电压比公式(1)表示的氢气氧化反应的活化过电压大的多，所以出现了不能获得高电池功率输出的问题。