过氧化物分解催化剂粒子制造技术

提供了一种包含粒子的催化活性组分，所述的粒子含有金属氧化物例如二氧化硅、金属离子或者准金属离子例如包含硼的离子和催化剂。当被引入到燃料电池的膜电极组件中时，所述的粒子提高了在膜电极中的抗过氧化物自由基性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】过氧化物分解催化剂粒子 专利
本专利技术涉及催化活性组分，其能够分解燃料电池膜电极组件中的过 氧化氢，并由此提供更稳定的质子交换膜和膜电极组件。、，，'甬，. 背景:支术、 、，质子交换膜(下文称为"PEM")被用作电解质。金属催化剂和电解质的 混合物通常被用来形成阳极和阴极电极。电化学电池公知的用途是以堆 的形式用于燃料电池(一种将燃料和氧化剂转化为电能的电池)。在这样 的电池中，将反应物或者还原性流体例如氬气或者曱醇供给到阳极，并 将氧化剂例如氧气或空气供给到阴极。还原性流体在阳极表面发生电化 学反应而产生氢离子和电子。该电子被传导到外负载电路，然后返回阴 极，同时氢离子通过电解质转移到阴极，在这里它们与氧化剂和电子发 生反应产生水，并释放出热能。燃料电池典型的是由膜电极组件(MEA)的堆或者装配而形成，其每 个包括PEM、阳极电极和阴极电极，和其它任选的元件。燃料电池MEA 典型的还包含多孔导电片材料，所述的多孔导电片材料与每个电极之间 电接触并允许反应物扩散到电极，并被称作气体扩散层、气体扩散基体 或者气体扩散背材。当电催化剂被涂覆到PEM上时，MEA被称为包括 催化剂涂覆膜(CCM)。在另外的电催化剂涂覆到气体扩散层的情况中， MEA被称为包括气体扩散电极(一个或多个)(GDE)。燃料电池的功能元 件通常以下面的层来排列导电片/气体扩散背材/阳极电极/膜/阴极电极 /气体扩散背材/导电片。PEM的长期稳定性对于燃料电池非常重要。例如，固定燃料电池应 用的寿命目标是运转40000小时。本领域发现使用的典型的膜将通过该 膜中的离子交换聚合物的分解和随后的溶解而随着时间降解，由此危及 膜寿命和性能。尽管不希望局限于理论，但是认为这种降解是(至少部分是)所述的膜的离子交换聚合物和/或所述的电极与过氧化氬(11202)自 由基反应的结果，该自由基是在燃料电池运行中产生的。通常认为在燃 料电池运行中含氟聚合物膜比不含氟的烃膜更稳定，但是即使是全氟化的离子交换聚合物在使用中也会降解。全氟化的离子交换聚合物的降解 同样被认为是该聚合物与过氧化氢反应的结果。因此，期望发展一种方法，该方法用于降低或防止由于质子交换膜 或者膜电极组件与过氧化氢自由基的相互作用而引起的它们的降解，由 此在保持长期的稳定性和寿命的同时保持性能，其中作为其结果，可以 降低燃料电池的成本。专利技术概述本专利技术涉及对于提高膜电极组件中的抗过氧化氢自由基性能有用的粒子。该粒子包含金属氧化物、稳定剂和至少一种催化剂；所述的金 属氧化物选自氧化铝，二氧化钛，氧化锆，氧化锗(germania) ， 二氧 化硅，二氧化铈和它们的组合；所述的稳定剂选自金属离子和准金属离 子以及它们的组合；所述的催化剂不同于所述的稳定剂，并且其选自铈 和钌。优选的稳定剂是一种或多种含有选自铝，硼，鴒，钛，锆和钒的 元素的金属离子或者准金属离子。专利技术详述除非另有说明，否则在陈述数值范围的地方，该范围意在包括该范 围中的端点、全部的整数和分数。当定义一个范围时，其目的并非将本 专利技术的范围限制到所陈述的具体的数值。此外，此处提出的全部的范围 目的是不仅包括明确描述的特定的范围，而且包括其中的数值的任何组 合(包括所陈述的最小和最大值)。本专利技术目的是与使用质子交换膜的燃料电池一起使用。实例包括氬 燃料电池、重整氢燃料电池、直接曱醇燃料电池或者其它有机原料燃料 电池，例如^f吏用乙醇、丙醇、二曱基或二乙基醚、甲酸、羧酸体系例如 乙酸等的那些。作为此处使用的，"催化活性组分，，应当是指一种能够作为过氧化 氢清除剂的组分，该组分通过将过氧化氢分解为2H20和〇2来防止PEM 与过氧化氢发生化学反应。如上所述，虽然不希望局限于理论，但是认 为PEM的降解是膜聚合物与过氧化氢自由基反应的结果，该自由基是 燃料电池运行过程中产生的。本领域普遍使用的典型的全氟磺酸离子交换膜将通过含氟聚合物 的分解和随后的溶解而随着时间降解，由此危及膜的寿命和性能。但是， 本专利技术提供一种具有长期稳定性的膜，其目标是在汽车燃料电池应用中高达大约8000小时的耐久性和在固定燃料电池应用中高达大约40000 小时的耐久性。 催化活性组分通常，本专利技术的催化活性组分可以被传输到离子交换膜、阳极电极、 阴极电极的内部，或者气体扩散背材的表面(阳极或者阴极侧)。催化活 性组分可以另外地或者替代地被提供到其它部位例如离子交换膜或者 电极的表面。本专利技术的催化活性组分的主要的优势是该组分可以混入到 PEM或者MEA中，而不需要随后的处理步骤例如将前体化学还原或者 水解处理为催化活性组分，这样的处理是许多已知的催化活性组分所具 有的情况。用于处理PEM或者MEA的催化活性组分包含胶体或者热解金属氧 化物粒子例如氧化铝，二氧化硅，二氧化铈(Ce02), Ce203, 二氧化钛 (Ti02), Ti203,氧化锆，二氧化锰，氧化钇(丫203 ), Fe203， FeO，氧化 锡，氧化锗，氧化铜，氧化镍，氧化锰，氧化鴒，和它们的混合物。优 选的粒子是胶体粒子，其包括但不限于胶体二氧化硅，胶体二氧化铈和 胶体二氧化钛，并且胶体二氧化硅是最优选的。这些金属氧化物粒子可 以通过本领域技术人员已知的任何技术来生产。在优选的实施方案中，金属氧化物由金属氧化物附聚物和胶体粒子 组成，所述胶体粒子具有最大胶体粒子尺寸小于大约l.O微米，并且平 均胶体粒子直径小于大约0.4微米的尺寸分布以及足以抵制和克服在粒 子附聚物和/或单个粒子之间的范德华力的力。本专利技术中的粒子尺寸分布 可以使用已知的技术例如透射电子显微镜法(TEM)来测量。平均粒子直 径指的是使用TEM图像分析，即，基于粒子的横截面的平均等价的球 体直径。用"力"表示金属氧化物粒子的表面势能或者水合力必须足以 抵制和克服粒子之间的范德华吸引力。本专利技术中优选的是球形或者近似 球形的粒子。在一种优选的实施方案中，金属氧化物胶体粒子可以由离散的、单 个金属氧化物胶体粒子组成，该粒子具有2nm-200nm,更优选 5nm-100nm和最优选5-50nm的平均粒子直径。所述的催化活性组分进一步包含至少一种稳定剂。作为此处使用 的，术语"稳定剂"意思是一种有效的帮助粒子在水介质中作为溶胶保 持的试剂。合适的稳定剂包括金属和边缘金属或者准金属，来自硼，鵠，铝，钛，锆和钒和它们的组合。优选的，稳定剂包含含有铝，硼，鴒， 钛，锆，或者钒的金属离子或者准金属离子，并且含硼的离子是最优选的。所述的催化活性组分进一步包含至少一种催化剂。作为此处使用的，术语"催化剂"意思是一种有效催化H202的分解反应的试剂。优 选的催化剂具有多个氧化态，并且来自铈，柏，4巴，镧，钇，礼，银， 铁，钌，钛，钒和它们的组合。所述的催化剂可以作为金属、金属盐或 金属氧化物而存在。钌和铈是最优选的催化剂。所述的至少一种稳定剂 和至少一种催化剂不应当同时为相同的元素。在特别优选的实施方案中，本专利技术的组合物包含双金属表面改性的 胶体粒子，其包含作为在粒子表面上的二种金属的硼和钌，或者硼和铈。 从前面的描述中应当很显然的是用于表面改性上下文中的术语"金属" 和"双金属"意在包括边缘金属或者准金属例如硼，以及更原型 (prototypica本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于提高膜电极组件中的抗过氧化氢自由基性能的粒子，其包含：　金属氧化物，该金属氧化物选自氧化铝、二氧化硅、ＴｉＯ↓［２］、Ｔｉ↓［２］Ｏ↓［３］、氧化锆、二氧化锰、氧化锰、Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］、Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］、ＦｅＯ、氧化锡、氧化铜、氧化镍、氧化钨、氧化锗、ＣｅＯ↓［２］、Ｃｅ↓［２］Ｏ↓［３］和它们的组合，　稳定剂，该稳定剂选自金属离子和准金属离子以及它们的组合，和　至少一种催化剂，该催化剂不同于所述稳定剂并且选自铈和钌。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JA西迪奎，KG赖富德，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]