燃料电池制造技术

通过用传导性金属化合物颗粒替换电极中的传导性碳基质材料来改善具有聚合物电介质膜的燃料电池的耐久性。该电极包括负载在纳米尺寸的金属氧化物和导电性纳米尺寸的金属化合物基质颗粒上的催化剂。金属如钴、铬、镍、钼、钕、铌、钽、钛、钨、钒和锆的金属化合物比如硼化物、碳化物、氮化物、硫化物、碳氮化物、硼氧化物、碳氧化物或氮氧化物的一种或多种是合适的。例如，混合在传导性碳化钛颗粒基质中的沉积于二氧化钛载体颗粒上的铂颗粒的组合提供了具有好的氧还原能力和在酸性环境中好的耐腐蚀性的电极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及低温酸性和碱性燃料电池，比如：在各电池里都使用了固体聚合物电解质膜的那些，其在膜的每侧都具有包含催化剂的电极。更具体地，本专利技术涉及用于上述电池的电极元件，其中该电极包括与非传导性催化剂载体颗粒结合使用的导电性的，金属化合物基质颗粒。专利技术背景燃料电池是被开发用来产生动力(motive)和固定电能的电化学电池。一种燃料电池设计使用固体聚合物电解质(SPE)膜或者质子交换膜(PEM)，以在阳极和阴极之间提供离子转移。使用了能提供质子的气态和液态燃料。例子包括氢和甲醇，氢更受欢迎。氢供应给燃料电池的阳极，氧(作为空气)作为电池的氧化剂并被供应到电池的阴极。电极由多孔导电材料(如织造石墨、石墨化片或者碳纸)形成，以使燃料可以分散在面向燃料供应电极的膜表面上。每个电极都承载了经过细碎的、负载在碳颗粒上的催化剂颗粒(如：铂颗粒)，以促进氢在阳极的离子化和氧在阴极的还原。质子从阳极流经离子传导性的聚合物膜到达阴极，在那里他们与氧结合形成水，水从电池里排出。导体板移走在阳极形成的电子。目前，PEM燃料电池的现有技术使用由一种或多种全氟化的离聚物(如杜邦公司的Nafion)制备的膜。这种离聚物带有可电离的侧基(如：磺酸盐基团)以从阳极经膜向阴极传输质子。一个阻碍大规模实施燃料电池技术的重大问题是在延长运行中和在正常汽车车辆运行中以及车辆停止/启动循环中的电力需求循环中性能的损失。本专利技术基于这样的认识：PEM燃料电池的相当一部分与氧还原电极催化剂的退化有关。这种退化可能是由于铂颗粒的生长、铂颗粒的溶解和碳载体材料的腐蚀而引起。电池里磺酸盐基团和水的存在产生了酸性环境，这种环境促使了各电池的电极中的上述变化。已经发现，在电势高于1.2V时，碳会被严重腐蚀，和当电势低于1.2V时，在碳表面加入铂颗粒显著增大腐蚀速率。这些过程导致铂催化剂活性表面积的损失，这又导致氧电极性能的损失。然而，循环实验显示：-->仅仅是氢吸附面积的损失并不能解释氧性能的损失。其他因素包括来自于吸附的OH物质的干扰和吸附的OH物质的可能的位置交换(这可以改变铂催化剂对氧还原的电催化性质)。因此，铂与催化剂负载体的特定相互作用可对铂电催化剂性能的稳定性有巨大影响。从电池电极去除碳和应用其他催化剂载体材料和其他导电性基质材料是合意的。专利技术简述按照本专利技术的一方面，铂或其他催化剂材料负载在非导电性、高表面积的金属氧化物上，如氧化钛(TiO2)。然后，在本专利技术的另一方面中，该披铂氧化钛与导电、抗腐蚀的纳米尺寸的合适的金属化合物的基质颗粒混合。这些金属化合物包括一种或多种非金属元素：硼、碳、氮或硅。例如，钴、铬、钼、钕、镍、铌、钽、钛、钨、钒和锆的硼化物、碳化物、氮化物和硅化物表现出与金属类似的导电性(即：电阻率在3-300μΩcm之间)和突出的抗化学氧化性和耐腐蚀性。这些有用的化合物包括，如：Co2B、Co3B、Cr2B、CrB、Cr5B3、CrB2、MoB、Mo2B、Mo2B5、NbB、NbB2、NbB6、NiB、Ni2B、Ni3B、TaB、TaB2、TiB2、VB、VB2、W2B、WB、WB2、W2B5、ZrB2、ZrB12；Co2C、Cr3C2、NbC、Nb2C、TiC、VC、WC、ZrC；Co2N、CrN、Cr2N、NbN、TiN、VN、WN、TaN、ZrN、CoSi2、CrSi2、Cr5Si3、MoSi2、Mo5Si3、Ni2Si、NiSi2、NbSi2、Nb5Si3、TaSi2、TiSi2、TiSi、Ti5Si3、V3Si、VSi2、WSi2、W5Si3和ZrSi2。这些金属化合物经常包含作为杂质的氧元素，如果保持了载体材料的合适导电性，该氧元素是可容许的。可以使用单个化合物和可以以不同比例使用这些化合物的混合物。就在碳氮化合物中而言，该金属化合物可以包含非金属元素的组合。而且该金属化合物可以包括额外的非金属元素如在金属硼氧化物、碳氧化物和氮氧化物中的氧元素，只要它们在电池中提供合适的导电性和耐久性即可。一种和多种这些金属化合物适合于在含负载的催化剂的燃料电池电极膜中作为颗粒状导电基质材料。这样，在氢-氧燃料电池堆中的每个电池中的膜电极组合件将包括合适的质子交换膜，在该膜一侧上具有薄的氢氧化阳极，在另一侧上具有氧还原阴极。在至少该阴极中，或在两个电极中，该催化剂被负载在非传导性金属氧化物颗粒上，该非传导性金-->属氧化物颗粒紧密地与上述传导性金属化合物基质颗粒混合。纳米尺寸的传导性金属化合物颗粒为优选的。金属氧化物催化剂载体颗粒和金属化合物基质颗粒的结合可以在电池中产生耐用的和优良性能的电极。这些催化电极、导电性基质材料，特别是纳米尺寸的颗粒的独特性质可以产生增强的催化行为以及增加的燃料电池电极的耐久性。作为特定实例，该燃料电池阴极包括沉积在高表面积纳米尺寸的二氧化钛颗粒上的催化性铂颗粒，且这些非导电性氧化物载体颗粒与导电性、耐腐蚀性纳米尺寸氮化钛或硅化钛基质颗粒混合。该二氧化钛颗粒促进了与它们负载的铂颗粒的强相互作用，且该氮化钛和硅化钛基质颗粒赋予电极以导电性。该载体材料和基质材料在电势循环中都阻止电极性能的退化。金属化合物导电性电极基质颗粒的用途可用于低温(如低于大约200℃)酸性和碱性燃料电池中。本专利技术的其他目的与优点可以在随后的示例性优选实施方案的描述中变得更加明显。附图简述图1是用在组装燃料电池堆里的每块电池中的固体聚合物膜电解质和电极组合件(MEA)结合的示意图。图2是图1的MEA的放大的非整体的截面图。图3是相对质量损失与循环次数的关系图，对于(i)沉积在碳上的基准商业性铂催化剂(实心圆)，对于(ii)沉积在纳米尺寸氧化钛载体颗粒上的铂催化剂(实心倒三角)，和对于根据本专利技术的催化剂，也即在下面几种导电性基质中沉积在纳米尺寸氧化钛载体颗粒上铂催化剂：(iii)碳(实心方块)，(iv)TiN(实心向上三角形)，和(v)TiS2(实心菱形)。优选实施方案描述授予本专利技术的受让人的许多美国专利描述了含有固体聚合物电解质膜装置和电极组合件的电化学燃料电池组合件。例如，US6277513的图1-4包含了这样的描述，该专利的说明书和附图作为参考被包括到本说明书里。本申请的图1说明作为在‘513专利中图1所说明的电化学电池一部分的膜电极组合件10。参考本说明书图1，膜电极组合件10包括阳-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，包括：夹在阳极和阴极之间的聚合物电解质膜；阴极和阳极的至少一个，其包括载于在传导性颗粒基质中的非传导性催化剂载体颗粒之上的催化剂颗粒，该传导性基质颗粒基本上由包含选自硼、碳、氮或硅的非金属元素的金属化合物构成，该金属化合物具有小于３００μΩｃｍ的电阻率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-5-4 60/677,7811.一种燃料电池，包括：
夹在阳极和阴极之间的聚合物电解质膜；
阴极和阳极的至少一个，其包括载于在传导性颗粒基质中的非传导
性催化剂载体颗粒之上的催化剂颗粒，该传导性基质颗粒基本上由
包含选自硼、碳、氮或硅的非金属元素的金属化合物构成，该金属
化合物具有小于300μΩcm的电阻率。
2.权利要求1所述的燃料电池，其中，所述传导性基质颗粒基本上由
金属硼化物、金属碳化物、金属氮化物、金属硅化物、金属硼氧化物、金
属碳氧化物、金属氮氧化物、或金属碳氮化物中的至少一种构成。
3.权利要求1所述的燃料电池，其中，所述传导性颗粒基本上由包
含选自铬、钴、钼、钕、镍、铌、钽、钛、钨、钒和锆的金属的金属化合
物构成。
4.权利要求1所述的燃料电池，其中，所述金属基质颗粒基本上由
选自Co2B、Co3B、Cr2B、CrB、Cr5B3、CrB2、MoB、Mo2B、Mo2B5、NbB、
NbB2、NbB6、NiB、Ni2B、Ni3aB、TaB、TaB2、TiB2、VB、VB2、W2BWB、
WB2、W2B5、ZrB2、ZrB12；Co2C、Cr3C2、NbC、Nb2C、TiC、VC、WC、
ZrC；Co2N、CrN、Cr2N、NbN、TiN、VN、WN、TaN、ZrN、CoSi2、CrSi2、
Cr5Si3、MoSi2、Mo5Si3、Ni2Si、NiSi2、NbSi2、Nb5Si3、TaSi2、TiSi2、TiSi、
Ti5Si3、V3Si、VSi2、WSi2、W5Si3和ZrSi2的至少一种金属化合物构成。
5.一种酸性或碱性燃料电池，其在温度不高于大约120℃运行，并
包括：
夹在阳极和氧-还原阴极之间的聚合物电解质膜；
氧-还原阴极，其包括载于在传导性颗粒基质中的非传导性催化剂载体
颗粒之上的氧-还原催化剂颗粒，该传导性基质颗粒基本上由金属硼化物、
金属碳化物、金属氮化物、金属硅化物、金属硼氧化物、金属碳氧化物、
金属氮氧化物、或金属碳氮化物的至少一种构成。
6.权利要求5所述的燃料电池，其中，所述氧-还原阴极包含传导性
基质颗粒，该传导性基质颗粒包含选自铬、钴、钼、钕、镍、铌、钽、钛、
钨、钒和锆的一种或多种金属元素。
7.权利要求5所述的燃料电池，其中，所述氧-还原阴极包含传导性
基质颗粒，该传导性基质颗粒基本上由选自Co2B、Co3B、Cr2B、CrB、Cr5B3、
-->CrB2、MoB、Mo2B、Mo2B5、NbB、NbB2、NbB6、NiB、Ni2B、Ni3B、TaB、
TaB2、TiB2、VB、VB2、W2BWB、WB2、W2B5、ZrB2、ZrB12；Co2C、Cr3C2、
NbC、Nb2C、TiC、VC、WC、ZrC；Co2N、CrN、Cr2N、NbN、TiN、VN、
WN、TaN、ZrN、CoSi2、CrSi2、Cr5Si3、MoSi2、Mo5Si3、Ni2Si、NiSi2、
NbSi2、Nb5Si3、TaSi2、TiSi2、TiSi、Ti5Si3、V3Si、VSi2、WSi2、W5Si3和
ZrSi2的至少一种金属化合物构成。
8.权利要求5所述的燃料电池，其中，所述氧-还原阴极包含用于氧
还原的、载于金属氧化物载体颗粒上的催化剂，该催化剂为选自贵金属和
铂与非贵金属的合金的材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：B梅尔佐圭，IC哈拉莱，MK卡彭特，S斯瓦迪拉延，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]