[发明专利]燃料电池用电极催化剂、其制法、膜电极组件和燃料电池

说明书

技术领域

本公开内容涉及用于燃料电池的电极催化剂、其制备方法和包括所述电极催化剂的膜电极组件、以及包括所述膜电极组件的燃料电池。

背景技术

根据电解质和燃料的类型，燃料电池可分为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。

典型地，PEMFC和DMFC各自包括包含阳极、阴极和介于阳极与阴极之间的聚合物电解质膜的膜-电极组件(MEA)。阳极包括用于促进燃料的氧化的催化剂层，且阴极包括用于促进氧化剂的还原的催化剂层。

通常，作为阳极和阴极的组成部分，使用包含铂(Pt)作为活性元素的催化剂。然而，基于Pt的催化剂是昂贵的贵金属，且对用于在大规模制造可商购的燃料电池时用在电极催化剂中的Pt的需求仍然高且由此需要系统成本的降低。

因此，存在开发减少Pt的量并提供优异的电池性能的电极催化剂的需要。

发明内容

提供用于燃料电池中并提供优异的催化活性的电极催化剂及其制备方法。

提供包括所述电极催化剂的膜电极组件和包括所述膜电极组件的燃料电池。

另外的方面将在随后的描述中部分地阐明，且部分地将从所述描述明晰，或者可通过所提供的实施方式的实践获知。

根据本发明的一个方面，提供用于燃料电池的电极催化剂，其包括包含具有氧还原活性的贵金属和13族元素的结晶催化剂颗粒，其中所述13族元素存在于所述结晶催化剂颗粒的晶胞中。

所述电极催化剂可满足以下方程式1~3的至少一个：

<方程式1>   <方程式2>   <方程式3>

D₂(X)>D₁(X) D₂(Y)>D₁(Y) D₂(Z)>D₁(Z)

在方程式1~3中，D₂(X)、D₂(Y)和D₂(Z)分别表示所述结晶催化剂颗粒的晶胞的彼此平行的晶面之间的距离之中与X轴、Y轴和Z轴平行的距离，并且D₁(X)、D₁(Y)和D₁(Z)分别表示第一催化剂颗粒的晶胞的彼此平行的晶面之间的距离之中与X轴、Y轴和Z轴平行的距离，其中所述第一催化剂颗粒具有与所述结晶催化剂颗粒相同的结构，除了其中不包含所述13族元素之外。

所述电极催化剂可满足以下方程式4：

<方程式4>

A₂>A₁

在方程式4中，A₂为所述结晶催化剂颗粒的晶格常数，且A₁为除了其中不包含所述13族元素之外具有与所述结晶催化剂颗粒相同的结构的第一催化剂颗粒的晶格常数。

所述电极催化剂可进一步包括碳质载体。

根据本发明的另一方面，提供制备用于燃料电池的电极催化剂的方法，该方法包括：提供包含具有氧还原活性的贵金属的前体和13族元素的前体的混合物；和将所述混合物中的所述前体还原以形成用于燃料电池中并包括包含具有氧还原活性的贵金属和13族元素的结晶催化剂颗粒的电极催化剂，其中所述13族元素存在于所述结晶催化剂颗粒的晶胞中。

根据本发明的另一方面，用于燃料电池的膜电极组件包括：阴极；面对所述阴极设置的阳极；和介于所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，其中所述阴极和所述阳极的至少一个包括所述电极催化剂。所述阴极可包括所述电极催化剂。

根据本发明的另一方面，提供包括所述膜电极组件的燃料电池。

附图说明

从结合附图考虑的实施方式的下列描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易地理解，在附图中：

图1B为根据本发明实施方式的电极催化剂的结晶催化剂颗粒的晶胞的示意图，且图1A为除了不包含13族元素之外具有与图1B中所示的结晶催化剂颗粒相同的结构的第一催化剂颗粒的晶胞的示意图；

图2为根据本发明实施方式的燃料电池的分解透视图；

图3为图2的燃料电池的膜-电极组件(MEA)的示意性横截面图；

图4显示根据实施例1和对比例1制备的催化剂的X-射线衍射图案；