用于燃料电池的催化剂和电极制造技术

一种催化剂组合物，其包含至少一种贵金属，其中所述催化剂组合物能够在卤素离子或卤素离子混合物的存在下催化再生式燃料电池中的充电反应和放电反应。本公开涉及包括可用于燃料电池的那些催化剂的电极。所述催化剂对析氢反应(HER)和氢的氧化反应(HOR)有活性而且多孔电极在设计用以控制其孔隙率的过程中制得。所述催化剂和电极用于包含氢和氢卤酸或氢卤酸混合物的再生式燃料电池中。所述催化剂尤其可用于氢/溴的还原/氧化反应。所述催化剂表现出高度可接受的寿命和性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃料电池的催化剂和电极背景I.公开领域本公开一般涉及用于燃料电池的催化剂和包含那些催化剂的电极。更具体地，本公开涉及在再生式燃料电池(包含氢和氢卤酸或氢卤酸混合物)中使用的对析氢反应(HER)和氢的氧化反应(HOR)有活性的催化剂和在设计为控制其孔隙率的过程中制得的多孔电极。所述催化剂尤其可用于氢/溴还原/氧化反应。所述催化剂表现出可接受的寿命和性能。2.
技术介绍
讨论典型的燃料电池由两个电极(阳极和阴极)和置于该阳极和阴极之间的膜组成。燃料电池通过电化学过程将燃烧能量(如氢)转换成电能而运行。该过程通过利用从受控 制的氧化一还原(氧化还原)反应中释放电子来完成，该反应发生在电极上分散的催化剂的表面。由于在再生式燃料电池的恶劣环境中的稳定性，常用的催化剂为在炭黑上所负载的纳米钼。在再生式燃料电池(例如利用氢卤酸电解质)中与催化剂活性相关的重要问题是由卤化物引起的氢催化剂中毒。膜不能完全阻止电解质从电池的一侧穿越到另一侧。例如，在三溴化氢燃料电池(HTBFC)中，溴化物(例如三溴化物)扩散至氢电极并使催化剂中毒。尽管再生式电池中在包含卤素离子的溶液中氢氧化/析出反应迅速并且与其它电压损失相比其超电势相当的低，但催化剂严重中毒，并且这增加了再生式燃料电池中氢电极的超电势。在燃料电池中，由于高功率密度以及在电解池中由于每单位面积化学品的高产生率，通常采用多孔电极。多孔电极的共有问题是对参与电化学反应的每种反应物和产物提供穿过电极的最有效的途径，和提高活性材料和电解质之间的表面面积，使其尽可能的大。多孔电极的主要缺点是电极淹没。所形成的水可以与质子一起被运输穿过膜，从而填充电极孔并阻止气体发生反应。是否将再生式燃料电池作为再生式燃料电池取决于其循环寿命。除直接模式外，为了产生直接反应的反应物，可以以可逆模式(消耗直接反应的电和产物)运转再生式燃料电池。对于再生式燃料电池(如氢/溴燃料电池)，限制其循环寿命的一个重要因素是运行燃料电池材料的降解。这些材料在升高的温度下长期暴露在高腐蚀性的溴电解质中。如上所述，从溶液电极穿过膜扩散至气体电极的溴化物(例如，三溴化物)限制了循环寿命。理想的是，膜只运输质子或阳离子而不运输阴离子。在理想条件下，氢/溴燃料电池中，氢催化剂只暴露在气体的和离子的氢中。事实上，膜不完全阻止溴化物离子穿过膜并吸附在氢电极上。因此，由于包括氢催化剂的催化剂腐蚀和中毒在内的数个原因，氢/溴燃料电池循环寿命变得受到限制。在再生式燃料电池(尤其是氢/卤燃料电池)恶劣的环境中需要表现出稳定性的催化剂。同样，在再生式燃料电池(尤其是氢/卤燃料电池)中需要能够催化充电反应和放电反应两者的催化剂。另外，在再生式燃料电池(尤其是氢/卤燃料电池)中需要存在能够催化HER和HOR两者的催化剂。期望在本领域中提供用于再生式燃料电池的成本低且寿命和性能可接受的催化剂。
技术实现思路
本公开一般涉及用于燃料电池的催化剂及包含那些催化剂的电极。更具体地，本公开涉及在再生式燃料电池(包含氢和氢卤酸或氢卤酸混合物)中使用的、对HER和HOR具有活性的催化剂和在设计为控制其孔隙率的过程中制得的多孔电极。该催化剂尤其可用于氢/溴还原/氧化反应。催化剂表现出高度可接受的寿命和性能。催化剂还具有低成本，这归因于在催化剂中存在的少量贵金属，例如钼。本公开部分涉及包含至少一种贵金属的催化剂组合物，其中所述催化剂组合物能够在卤素离子或卤素离子混合物的存在下催化再生式燃料电池中的充电反应和放电反应。本公开部分涉及包含芯-壳结构(或皮结构)的催化剂组合物。所述芯(或颗粒)优选地包含低浓度的Pt或Pt合金。Pt合金可包含一种或更多种其它贵金属如Ru、 Re、Pd和Ir、和任选的一种或更多种过渡金属如Mo、Co和Cr。所述芯还可包含无Pt金属或合金。无Pt金属可包括一种或更多种贵金属如Ru、Re、Pd和Ir。无Pt合金可包含两种或更多种贵金属如Ru、Re、Pd和Ir、和任选的一种或更多种过渡金属如Mo、Co和Cr。所述壳(或皮)优选地包含贵金属如Pt或Ir及它们的合金的一层或更多层、或原子岛、或亚单层。Pt和Ir合金可包含一种或更多种其它贵金属如Ru、Re和Pd、和任选的一种或更多种过渡金属如Mo、Co和Cr。所述一种或更多种其它贵金属如Ru、Re和Pd优选地在Pt和Ir合金中少量存在。同样，所述一种或更多种过渡金属如，Mo、Co和Cr优选地在Pt和Ir合金中少量存在。本公开的催化剂组合物能够在卤素离子或卤素离子混合物的存在下催化再生式燃料电池中的充电反应和放电反应。本公开还部分涉及包含载体和分散在其上的催化剂的阳极。所述催化剂优选地包含至少一种贵金属，其中催化剂能够在卤素离子或卤素离子混合物的存在下催化在再生式燃料电池中充电反应和放电反应。本公开还部分涉及包含载体和分散在其上的催化剂的阴极。所述催化剂优选地包含至少一种贵金属或碳粉，其中催化剂能够在卤素离子或卤素离子混合物的存在下催化再生式燃料电池中的充电反应和放电反应。本公开还部分涉及膜电极组合件(MEA)，其包括阳极、阴极和设置在所述阳极和所述阴极之间的固体电解质膜。所述固体电解质膜或者是质子交换膜类型或者优选是纳米多孔质子传导膜(其包含填充酸溶液的纳米孔)。所述阳极包含载体和分散在其上的催化剂。分散在阳极上的催化剂包含至少一种贵金属。所阴极包含载体和分散在其上的催化剂。分散在阴极上的催化剂包含至少一种贵金属和/或碳粉。分散在阳极上的催化剂和分散在阴极上的催化剂相同或不同，并且能够在卤素离子或卤素离子混合物的存在下催化在再生式燃料电池中的充电反应和放电反应。本公开还部分涉及再生式燃料电池，其包括壳；具有第一表面和第二表面的固体电解质膜，其设置在所述壳中以将所述壳分隔为阳极侧和阴极侧。所述固体电解质膜是质子交换膜类型或者优选是纳米多孔质子传导膜(其包含填充酸溶液的纳米孔)。在所述第一表面上形成阳极以连接所述第一表面和阳极侧。在所述第二表面上形成阴极，以连接所述第二表面和阴极侧。所述阳极包含载体和分散在其上的催化剂。分散在阳极上的催化剂包含至少一种贵金属。所述阴极包含载体及分散在其上的催化剂。分散在阴极上的催化剂包含至少一种贵金属和/或碳粉。分散在阳极上的催化剂和分散在阴极上的催化剂相同或不同，并且能够在卤素离子或卤素离子混合物的存在下催化所述再生式燃料电池中的充电反应和放电反应。本公开还部分涉及再生式燃料电池，其包括溶液室(即，阴极侧)、气体室(即，阳极侧)和设置在所述溶液室和所述气体室之间的膜电极组合件(MEA)。所述膜电极组合件(MEA)包括阳极、阴极和设置在所述阳极和所述阴极之间的固体电解质膜。所述固体电解质膜是质子交换膜类型或者优选是纳米多孔质子传导膜(其包含填充酸溶液的纳米孔)。所述阳极优选地包含载体和分散在其上的催化剂。分散在阳极上的催化剂优选地包含至少一种贵金属。所述阴极优选地包含载体和分散在其上的催化剂。分散在阴极上的催化剂优选地包含至少一种贵金属和/或碳粉。分散在阳极上的催化剂和分散在阴极上的催化剂相同或不同，并且能够在卤素离子或卤素离子混合物的存在下催化再生式燃料电池中的充电反 应和放电反应。本专利技术还部分涉及包含至少一种贵金属的催化剂组合物，其中所述催化剂组合物能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：埃马努埃尔·佩莱德，阿尔农·布卢姆，阿迪·阿哈龙，尼娜·特拉维茨基，亚龙·康拉，科比·萨阿迪，弗拉迪米尔·策尔，迈塔尔·戈尔，迈塔尔·阿隆，罗伊·戈伦施泰因，
申请(专利权)人：雷蒙特亚特特拉维夫大学有限公司，
类型：
国别省市：