[发明专利]燃料电池、催化剂和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用作氢燃料电池的催化剂的合金。本发明还涉及具有包括该合金的一个或多个电极的氢燃料电池，以及该合金用于催化多种反应，特别是电化学电池和燃料电池中的反应的用途。

背景技术

燃料电池是将源燃料转化为电流和水的电化学电池。它通过在电解质存在时引发的燃料和氧化剂之间的反应在电池内部发电。反应物流入电池，反应产物流出电池，同时电解质保持电池之内。只要维持必要的流动，燃料电池可以基本持续运行。

燃料电池包括燃料电极(阳极)、氧化剂电极(阴极)、置于上述电极之间的电解质和分别单独供应燃料流和氧化剂流到阳极和阴极的装置。在运行中，供应到阳极的燃料被氧化释放电子，电子通过外电路传导到阴极。在阴极，当氧化剂被还原时消耗该供应的电子。质子交换膜燃料电池使用固体质子传导聚合物膜作为电解质。

燃料电池的应用包括蓄电池替代品；小型和微型电子设备例如便携式电子设备的充电；传感器例如气体监测器、地震传感器和红外传感器；电化学装置；汽车发动机和其它运输动力产生器；电厂等。

电化学燃料电池可以使用各种气态燃料和氧化剂。例如，氢燃料电池使用分子氢作为燃料，空气或载气中的氧气作为氧化剂。在氢燃料电池中，氢气被氧化且氧气被还原形成水，电流是氧化还原反应产生的副产物。沿着阳极和阴极之间的电连接的电流对于设置在具有阳极和阴极之间电连接的电路中的负载提供电能。下述的反应式示出在氢/氧燃料电池中阳极和阴极的反应：

阳极反应：H₂→2H⁺+2e^-

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

氢燃料电池一般通常在电极，特别是阳极处，使用催化剂来增加氧化还原反应的速率。这些催化剂一般包括贵金属例如铷、铑、钯、银、锇、铱、铂或金。然而，这些金属由于稀少而昂贵。

特别是，钯常用于包含氢的氧化还原反应的催化剂。然而，众所周知，钯吸收电解产生的氢形成氢化物：氢化物形成快速碎裂的粉末，这对催化剂来说是不合适的。

因此，期望生产出适于催化氢燃料中发生的氧化还原反应但比当前所使用的材料更便宜的材料。

Greeley等，Nature Materials，2006，5，909-913，描述了氢析出电催化材料的计算的高产量筛选法，并详细描述了氢析出中铂/铋合金及其催化活性。

WO2008/080227描述了多种不同的催化剂，特别是铂/锡和钯/铋催化剂，及它们在有机化合物特别是甲酸的多种电化学氧化中的应用。

US4843173描述了钯-铋/碳催化剂以及其将葡萄糖氧化成葡萄糖酸中的应用。

BE883331描述了包括PdBi₂钯-铋金属间化合物。据称该化合物对于用作将醛和酵转化为羧酸酯的催化剂有用。

US2007/0167318描述了包括Pd、Bi和至少一种其它元素催化活性的组合物。据称该组合物在烃的脱氢中有用。

WO2004/012290描述了用作催化剂和催化体系的金属间化合物。据称该金属间化合物对于催化燃料电池中的有用。

GB1559700描述了能催化包括至少一个羟基的烃的转化的电化学电池，其中至少一个电极包括包含铋以及铂和钯中一种或两种的组合物。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种合金，其是用于多种电化学反应，特别是氢析出反应(HER)和氢氧化(HOR)反应的有效催化剂，因此适合作为氢燃料电池的催化剂，但比当前使用的铂基合金的成本更低。

根据本发明意外地发现，向钯添加铋导致能够有效催化氢燃料电池中发生的电化学反应的合金材料，但它的制造更便宜并耐受氢化物的形成。这与预期的相反，因为仅铋不催化HOR或HER反应。

在一个方面，本发明提供一种氢燃料电池，包括：阳极；阴极；电解质；使阳极和阴极电绝缘的构件；向燃料电池供应含氢燃料的构件；和向燃料电池供应氧化剂的构件；其中阳极以及任选的阴极包括包含式(I)合金的催化剂：

Pd_xBi_yM_z    (I)

其中：

M是金属；

x是0.1到0.7；

y是0.3到0.9；

z不大于0.1；以及

x+y+z＝1。

在另一方面，本发明提供一种氢燃料电池，包括：