[发明专利]用于燃料电池的催化剂

说明书

本发明涉及一种新型的催化剂层，特别是用于经历高电化学电位的质子交换膜燃料电池中的阳极。

燃料电池为包含由电解质分隔的两个电极的电化学电池。燃料比如氢气或醇(比如甲醇或乙醇)供给阳极，且氧化剂比如氧气或空气供给阴极。电化学反应在电极处发生，并且燃料和氧化剂的化学能转化为电能和热量。电催化剂用于促进燃料在阳极的电化学氧化和氧气在阴极的电化学还原。

在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质为固体聚合物膜。上述膜为电子绝缘但质子传导的，并且在阳极所产生的质子传输通过膜至阴极，在阴极它们与氧气结合形成水。

PEM燃料电池的主要部件称为膜电极组件(MEA)并且基本上由5层组成。中间层为聚合物离子传导膜。在离子传导膜的每一侧都存在电催化剂层，包含设计用于具体电化学反应的电催化剂。最后，邻近每一个电催化剂层是气体扩散层。气体扩散层必须使得反应物能够到达电催化剂层，并且必须传导经电化学反应产生的电流。因此气体扩散层必须为多孔和导电的。

用于燃料氧化和氧气还原的电催化剂一般基于铂或者铂与一种或更多种其它金属的合金。铂或铂合金催化剂可以未负载的纳米大小颗粒(比如金属黑(metal black)或其它未负载的颗粒状金属粉末)形式存在，或者可作为甚至更高表面积颗粒沉积到导电碳基底或其它导电材料上(负载型催化剂)。

MEA可经几种方法构建。电催化剂层可涂布于气体扩散层以形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可置于离子传导膜的任一侧并且层压在一起以形成5层MEA。可选地，电催化剂层可涂布于离子传导膜的两面以形成催化剂涂布的离子传导膜。随后，气体扩散层涂布于催化剂涂布的离子传导膜的两面。最后，可自在一侧用电催化剂层涂布的离子传导膜、邻接于该电催化剂层的气体扩散层和在离子传导膜的另一侧的气体扩散电极形成MEA。

一般地需要数十或数百个MEA以为大多数应用提供足够的电力，因此将多个MEA组装以组成燃料电池堆。场流板用于分隔MEA。这些板施行几种功能：将反应物供至MEA，除去产物，提供电连接和提供物理支撑。

高电化学电位可发生于多种实际运行情况中，并且在某些情况下可对催化剂层/电极结构造成损坏。其中可见高电化学电位的情况的进一步描述在以下得到描述：

电化学电池偶尔经受电压反转条件，其为其中电池被强迫至相反极性的情况。串联的燃料电池有可能受到这些不需要的电压反转，比如当其中一个电池由串联的其它电池强迫至相反极性时。在燃料电池堆中，这可发生于电池不能自燃料电池反应产生电流，电流由其余电池迫使通过该电池时。电池堆中的电池组也可经受电压反转，并且甚至整个电池堆可由阵列中的其它电池堆驱使电压反转。除了与一个或更多个进入电压反转的电池有关的动力损失以外，该情况造成可靠性的担忧。可发生不合需要的电化学反应，其可不利地影响燃料电池部件。部件降解减少燃料电池和进而与其相关的电池堆和阵列的可靠性和性能。

已经利用多种方法设法解决电压反转问题，例如采用能够运载电流通过每一个单个燃料电池的二极管，或者监测每一个单个电池的电压并且如果检测到低电压就关闭受干扰的电池。然而，考虑到电池堆一般采用许多燃料电池，这样的方法可能相当复杂并且实施昂贵。

可选地，可改为监测与电压反转相关的其它条件，并且如果检测到反转条件可采取适当的矫正行动。例如，可采用特殊构建的传感器电池，其比电池堆中的其它燃料电池对导致电压反转的某些条件(例如电池堆的燃料不足)更加灵敏。因此，不是监测电池堆中的每一个电池，而是仅有传感器电池需要监测并且用于防止在这样的条件下蔓延的电池电压反转。然而，可能存在传感器电池不能检测到的导致电压反转的其它条件(例如电池堆中的有缺陷的单个电池)。另一种方法是采用废气监测器，其通过检测源于反转期间所发生反应的燃料电池堆废气中物质的存在或异常数量而检测电压反转。尽管废气监测器可检测发生在电池堆中的任一电池内的反转情况，并且它们可提示反转原因，然而这样的监测器不识别具体的问题电池并且它们通常不提供即将发生的电压反转的任何警告。

代替前述或与前述组合，可优选被动方法，以致于如果反转确实发生，燃料电池对反转更加耐受或者以减少任何关键电池部件降解(degradation)这样的方式得到控制。如果导致反转的条件为暂时的，特别优选被动方法。如果制造对电压反转更耐受的电池，可不必要检测反转和/或在暂时反转期间关闭燃料电池系统。因此，已确定用于增大对电池反转耐受性的一种方法为，采用比常规催化剂对氧化侵蚀更具抗性的催化剂(参见WO01/059859)。