[发明专利]阳极催化剂层的用途

说明书

公开了阳极催化剂层在质子交换膜燃料电池中的用途，该阳极催化剂层包含一氧化碳耐受性催化剂材料，其中该催化剂材料包含：(i)PtX的二元合金，其中X是选自铑和锇的金属，和其中铂在该合金中的原子百分比是45‑80原子％，和X在该合金中的原子百分比是20‑55原子％；和(ii)PtX合金分散在其上的载体材料；其中该铂族金属(PGM)在该阳极催化剂层中的总负载量是0.01‑0.2mgPGM/cm2；和其中在该燃料电池运行期间，将包含至多5ppm的一氧化碳的不纯的氢气流供至该阳极。

发明领域

本发明涉及包含一氧化碳耐受性催化剂的阳极在质子交换膜燃料电池中的用途，该电池基于含有痕量一氧化碳的氢燃料流来运行。

发明背景

在燃料电池中，燃料(其典型地是氢或者醇例如甲醇或乙醇)在燃料电极(阳极)氧化，氧气(其典型地来自于空气)在氧电极(阴极)还原，以产生电流，并且形成产物水。需要电解质，其与两个电极接触，并且其可以是碱性或酸性的，液体或固体。

为了辅助在阳极和阴极处发生的氧化和还原反应，使用催化剂。已经发现贵金属，特别是铂，是用于在低于300℃的温度运行的燃料电池的最有效和稳定的电催化剂。铂电催化剂典型地作为非常小的高表面积颗粒(～2-5nm)来提供，其经常但非总是分布和负载于较大的宏观导电颗粒上，以提供所需的催化剂负载量。导电性碳是用于负载该催化剂的典型的优选材料。

一种类型的燃料电池被称作质子交换膜燃料电池(PEMFC)，并且使用固体聚合物电解质膜，其能够传导质子，典型地基于全氟磺酸(PFSA)聚合物，例如Du Pont 因为这些膜需要水合来官能化，因此PEMFC通常运行在低于120℃的温度。该膜夹入阳极和阴极之间，以形成膜电极组件(MEA)。对于许多应用来说，PEMFC使用氢作为燃料源，和来自空气的氧气作为氧化剂。氢中的杂质和空气中的污染物会不利地影响阳极和阴极催化剂层，并且在严重的情况中，永久损害MEA。氢气中的杂质(一氧化碳(CO)、二氧化碳、硫化氢、氨、有机硫化合物和碳-氢化合物)主要来自于生产氢的方法。空气污染物例如氮氧化物、硫氧化物和另外的一氧化碳，二氧化碳和烃主要来自于车辆废气和工业排放物。已经发现，甚至存在于燃料或空气流中的痕量杂质也会使得阳极、阴极和膜严重中毒，特别是在低温运行时(即<100℃)也是如此。这些组件中的任何一个中毒都会导致MEA的性能降低。在确定燃料电池污染源和理解这些污染物对于性能的影响方面已经取得了显著进步。已经确定了三种重要影响：(1)动力学影响(电极催化剂的中毒)；(2)电导率影响(固体电解质阻抗的增加，包括膜和催化剂层离聚物的阻抗)，和(3)质量传递影响(催化剂层结构和疏水性改变，这引起了质量传递的问题)。

用作PEMFC技术中的直接燃料的氢通过烃和/或含氧烃(包括来自于天然气的甲烷和来自于生物质的甲醇)的重整来生产，并且是用于氢生产的主要方法，不过电解正起到越来越大的作用。氢生产的重整过程导致不可避免的杂质例如碳氧化物包括一氧化碳和二氧化碳，以及硫化合物包括硫化氢和硫有机物。蒸汽重整和部分氧化或自动热重整通常用于生产被称作“重整产物”的富氢气体，其在70％所需的氢之外，还可能包含25％的二氧化碳、1-2％的一氧化碳和硫杂质。因为氢燃料污染物会严重干扰PEMFC性能，因此已经进行了深入的研究活动来调查阳极杂质。最广泛研究的污染物是碳氧化物，特别是一氧化碳，这归因于通过重整过程生产的用于燃料电池中的高比例的氢。

由燃料电池中的一氧化碳所产生的问题在燃料电池领域中非常公知。充分文献记载的是，一氧化碳强结合到铂位上，这导致可以用氢吸附和氧化的表面活性位减少。这种催化剂中毒降低电氧化速率和增加电极超电势，导致与在无一氧化碳的氢下的运行相比，MEA性能降低。归因于一氧化碳中毒的性能损失程度与一氧化碳的浓度、暴露时间、电池运行温度和阳极催化剂类型强烈地相关。