CN101454930A - 一种评估用于电池的电极催化剂的性能的方法、搜索方法、用于电池的电极催化剂和使用所述电极催化剂的燃料电池 - Google Patents

一种评估用于电池的电极催化剂的性能的方法、搜索方法、用于电池的电极催化剂和使用所述电极催化剂的燃料电池 Download PDF

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Abstract

一种评估用于燃料电池的电极催化剂的性能的方法，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其中，使用所述电极催化剂的伏安面积/催化剂比表面积作为性能评估的指标，并且，当所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10－4(mV·A·g/m2)时，将所述性能评估为良好。本发明目标是开发出一种用于精确评估用于燃料电池的电极催化剂性能、以及搜索具有优良性能的燃料电池的电极催化剂的技术，并且，具体是获得使用该技术搜索出的具有优良催化剂活性的用于燃料电池的新颖电极催化剂。

Description

一种评估用于电池的电极催化剂的性能的方法、搜索方法、用于电池的电极催化剂和使用所述电极催化剂的燃料电池
技术领域
本发明涉及一种评估用于电池的电极催化剂的性能的方法、搜索方法、用于燃料电池的具有小的过电压和被所述搜索方法发现的优良发电性能的电极催化剂以及使用所述电极催化剂的燃料电池
背景技术
由于电池反应的生成物主要是水，所以作为一种对全球环境几乎没有任何不利影响的清洁发电系统，燃料电池引起了关注。例如，一种聚合物电解质燃料电池，其包括传导质子的固体聚合物电解质膜，在膜的每侧具有一对电极，所述电池通过向电极之一(燃料电极：阳极)供应氢气作为燃料气体和向另一个电极(空气电极：阴极)供应氧气或者空气来获得电动势。
由于(1)对具有高离子传导率的聚合物电解质膜的开发；(2)使用以聚合物电解质膜涂敷的负载催化剂的碳和用于电极催化剂层组成材料的同质或异质离子交换树脂(聚合物电解质)，特别是由于可在三维上实施所述催化剂层中的所谓反应点的事实，聚合物电解质燃料电池显著地提高了电池的性能。并且，除了获得这种高电池性能外，由于可以把电池制造得更小更轻，因此聚合物电解质燃料电池有希望在例如电动汽车的移动车辆、在小型热电联产系统等中用作电源。
通常，聚合物电解质燃料电池中使用的气体扩散电极由催化剂层和气体扩散层组成，所述催化基层包括上述以离子交换树脂涂敷的负载碳的催化剂，所述扩散层将反应气体送到催化剂层并且收集电子。在催化剂层中包括由细孔构成的空隙，其在作为组成成分的碳的二次颗粒或三次颗粒中形成。这些空隙用作反应气体的扩散流动路径。通常使用贵金属，例如在离子交换树脂中稳定的铂和铂合金，作为催化剂。
通常，在聚合物电解质燃料电池中，使用在所负载的炭黑上的例如铂或者铂合金的贵金属催化剂作为电极的阴极和阳极催化剂。通常，如下制备炭黑负载的铂：将亚硫酸氢钠加入氯铂酸溶液中，然后将所得混合物与过氧化氢溶液反应，在炭黑上负载所形成的铂胶体，然后清洗，并且可选地热处理。通过在聚合物电解质溶液中分散炭黑负载的铂以制备墨汁，再将该墨汁涂敷在例如碳纸的气体扩散基底上并且干燥，可制造聚合物电解质燃料电池的电极。电解质膜电极组件(MEA)通过在两个电极间夹入聚合物电解质膜并且热压来组装。
提高催化剂活性和发电性能是聚合物电解质燃料电池中最大的技术挑战。许多公开讨论了该问题，包括，例如，日本专利公开(Kokai)No.2005-135817A。这些公开展示提供一种用于燃料电池的电极催化剂，在所述燃料电池中，在固体聚合物燃料电池中贵金属，特别是铂，的用量减少；提供一种用于燃料电池的具有在无定形碳粉末载体上负载的铂催化剂的电极催化剂，其中无定形碳粉末平均颗粒尺寸是15到80nm，并且BET比表面积大于或等于1500m2/g，直径小于2nm的孔的全部孔体积大于或等于0.8cm3/g，直径小于2nm的孔的全部孔体积相对于整个孔体积大于或等于60％，以及所负载的催化剂的量是全部颗粒的5％到70质量％。
然而，在日本专利公开(Kokai)No.2005-135817A中，因为电极催化剂根据平均颗粒尺寸、比表面积、孔体积和载体的催化剂质量限定，所以过电压不能被限定的事实是一个问题。因为所述特性由载体特性(比表面积等)而不是根据催化剂特性来限定，并且没有基于电化学的实验值的限定，所以可认为过电压不能被限定。
已经发现，过电压与催化剂表面上的氧化膜有很大相关。因而，为了限定过电压，需要限定催化剂特性和与基于电化学的实验值相关的值。
在聚合物电解质燃料电池中，含氢气体(燃料气体)用作阳极反应气体，而含氧气体，例如空气，用作阴极反应气体。在这种情况下，在阳极和阴极分别进行公式(1)和(2)表示的下述电极反应，由此通过进行公式(3)表示的整个电池反应产生电动势。
H2→2H++2e-    (1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O  (2)
H2+(1/2)O2→H2O   (3)
然而，在常规聚合物电解质燃料电池中，因为公式(2)表示的氧还原反应的活化过电压比公式(1)表示的氢气氧化反应的活化过电压大的多，所以出现了不能获得高电池功率输出的问题。
日本专利公开(Kokai)No.2002-15744A描述了获得具有优良阴极极化特性并且提供高电池功率输出的固体聚合物燃料电池，其中，通过在阴极催化剂层中加入金属络合物以改善阴极的极化特性，所述金属络合物除了包含选自铂和铂合金的金属催化剂以外，还包括预定量的铁或者铬。具体地，该公开描述了一种固体聚合物燃料电池，包括阳极、阴极和在阳极与阴极之间设置的聚合物电解质膜，其特征在于所述阴极包括气体扩散层和在所述气体扩散层与所述聚合物电解质膜之间设置的催化剂层，并且催化剂层包括选自铂和铂合金的贵金属催化剂以及包含铁或者铬的金属络合物，其中金属络合物占金属络合物和贵金属催化剂的组合量的1mol％到40mol％。在阴极催化剂层中结合具有铁或者铬的这种金属络合物能有效的降低公式(2)表示的阴极氧还原反应的活化过电压，从而改善阴极的极化特性，能够获得高的电池功率输出。
发明内容
电极催化剂以及利用电极催化剂的燃料电池(特别是聚合物电解质燃料电池)作为汽车和固定用途的功率来源的用途正被测试中。虽然电池性能的改善是重要的，但是在一段长时间内保持希望的发电性能也是强烈需求的。并且，因为使用昂贵的贵金属，这些性能需求特别强烈。由于在氧还原阴极的氧还原过电压较大，因此，在高电位环境中的铂的离解或者再沉淀是降低燃料电池效率的主要因素。
然而，根据上述的日本专利公开(Kokai)2005-135817 A和2002-15744A，现有研究除了试图改善催化剂活性再无进展。催化剂活性的评估没有充分进行。虽然在J.of Electrochemical Society 146(10)3750-3756(1999)中公开的性能评估在获知用于燃料电池的电极催化剂的性能方面受到较大关注，但是从预先评估的角度来看，该文献不足以用于催化剂研发，从所述预先评估的角度，金属和合金在未来将有效地用作燃料电池的电极催化剂。
从而，本发明的目标是开发出一种用于精确评估用于燃料电池的电极催化剂性能，以及搜索具有优良性能的燃料电池的电极催化剂的技术，并且，具体使用该技术搜索获得用于燃料电池的新型的具有优良催化剂活性的电极催化剂。
注意到，过电压与金属催化剂表面上的氧化膜有很大相关，本发明人认为，为了限定过电压，需要限定与基于电化学的实验值相关的催化剂特性和参数。结果，本发明人通过用标准化比参数表示氧化膜形成的程度，并且使用这些参数作为评估用于燃料电池的电极催化剂性能的指标，实现了本发明。
具体地，本发明的第一个方面是一种评估用于燃料电池的电极催化剂的性能方法的发明，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，使用所述电极催化剂的伏安面积/催化剂比表面积作为性能评估的指标，并且，当所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)时，将所述性能评估为良好。本发明的第一方面还是一种评估用于燃料电池的电极催化剂的性能方法的发明，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，使用所述催化剂金属的伏安面积/催化剂比表面积作为性能评估的指标，并且，当所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)时，将所述性能评估为良好。这里，电极催化剂的伏安面积通过伏安法确定。
作为测量伏安面积时使用的粘合剂，可广泛使用各种聚合物材料。在这些材料中，特别优选使用羧甲基纤维素(CMC)或者聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)，此时，与当使用聚合物电解质相比，还原电流中的变化，特别是氧还原电流中的变化非常突出并且能够清晰的获取，这使得可以清晰确定氧化膜形成中的差异。
本发明的第二方面是使用上述指标搜索用于燃料电池的新型切高性能的电极催化剂的发明。具体是，本发明的第二方面是一种搜索用于燃料电池的电极催化剂的方法的发明，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，使用所述电极催化剂的伏安面积/催化剂比表面积作为搜索的指标，并且，当所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)时，将结果评估为良好。本发明的第二方面还是一种搜索用于燃料电池的电极催化剂的方法的发明，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，使用催化剂金属的伏安面积/催化剂比表面积作为搜索的指标，并且，当所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)时，将结果评估为良好。
作为测量伏安面积时使用的粘合剂，如上所述，特别优选使用羧甲基纤维素(CMC)或者聚偏氟乙烯(PVDF)，因为还原电流中的变化，特别是氧还原电流中的变化非常突出并且能够清晰的获得。
本发明的第三方面是一种电极催化剂的发明，所述电极催化剂通过上述搜索用于燃料电池的电极催化剂的方法具体搜索出。具体地，本发明的第三方面是一种用于燃料电池的电极催化剂的发明，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，所述电极催化剂的伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)。本发明的第三方面还是一种用于燃料电池的电极催化剂的发明，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，所述电极催化剂包括具有大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)的伏安面积/催化剂比表面积的催化剂金属。
作为测量伏安面积时使用的粘合剂，如上所描述，特别优选使用羧甲基纤维素(CMC)或者聚偏氟乙烯(PVDF)，因为还原电流中的变化，特别是氧还原电流中的变化非常突出并且能够清晰的获得。
本发明的第四方面是使用上述电极催化剂的燃料电池。具体地，根据本发明的所述燃料电池是一种固体聚合物燃料电池，包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的聚合物电解质膜，其特征在于电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，并且，所述电极催化剂的伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)。可选的是，本发明的第四方面的特征在于，包括在导电载体上负载的催化剂金属，所述催化剂金属的伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)。
根据本发明的燃料电池由扁平单元电池和在单元电池每侧上提供的两个隔离件构成。通过使用上述电极催化剂，在所述燃料电池中，在阳极和阴极分别进行公式(1)和(2)表示的电极反应，由此通过进行公式(3)表示的整个电池反应产生电动势。
结果，利用具有高催化剂活性的电极催化剂，根据本发明的所述燃料电池具有小的过电压和优良的发电性能。
根据本发明，从伏安法获得的电极催化剂的伏安面积，通过除以催化剂比表面积标准化(normalized)，以用作性能评估和搜索新型催化剂的指标，从而允许精确评估和搜索用于高性能燃料电池的电极催化剂。结果，大大减少了用于燃料电池性能评估和搜索所需的工作和时间。
附图说明
图1示意示出了在被从水分子形成的氧分子氧化的铂颗粒表面上的铂原子的外观；
图2示出了铂催化剂伏安图的实例；
图3示出了电流-电压曲线和理论电动势和过电压之间的关系；
图4示出了使用
Figure A200780019084D00091
CMC和PVDF作为粘合剂的铂的还原电流的伏安结果；
图5示出了使用
Figure A200780019084D00092
CMC和PVDF作为粘合剂的铂在800mV处的氧还原电流；
图6示出了使用
Figure A200780019084D00093
CMC和PVDF作为粘合剂的铂的氧还原电流的伏安结果；以及
图7示出了在伏安面积/催化剂比表面积和过电压之间的相关性。
具体实施方式
下面将更细致地描述本发明的实施例。
现在描述在本发明中使用的伏安法。伏安法是一种当改变电压时测量电流以绘制电压-电流曲线(伏安图)的方法，通过该方法，可通过电解电位确定主要物质的特性和通过在该时刻的电流确定主要物质的量。伏安法指一种通过调节电位(伏)测量电流(安培)的方法。执行调节电位的伏安法以通过随着时间改变电极电位来测量流动的电流。所观测到的电流由感应(faradaic)电流和电容性电流(电容电流)组成，所述感应电流基于来自电解的电子接收，所述电容电流基于由于在电极界面上吸收离子、分子等导致的电容量随着时间的改变。使用各种微电极(汞、铂、金、玻璃碳等)用作指示电极。伏安法广泛用于电极反应分析、氧化还原系统研究、待电解的物质的分析等等中，并且使用在现有技术中已知的操作方法。例如，将指示电极的电位设定为特定值，以在特定时间通过电解使主要物质沉淀。该物质集中于电极上。然后，以相反方向增加电极电位。当沉淀的物质再溶解时测量电压。
图1示意性示出了在被从水分子形成的氧分子氧化的铂颗粒的表面上的铂原子的外观；
图2示出了在0.5mol/L H2SO4中，铂催化剂的伏安图(电位扫描速率：0.31V/s)的实例；在该图中，包括大量的电流峰值。在这些电流峰值的每个处发生的电极反应被认为是基于电流峰值或者影响电流峰值的因素(例如电位扫描速率的变化、搅动的影响和pH值的变化)的下面反应之一。
A：所吸收的氢的形成：
Figure A200780019084D00101
B：所吸收氢的离子化：
Figure A200780019084D00102
C：铂膜的形成：
Figure A200780019084D00111
D：铂膜的还原：
Figure A200780019084D00112
使用常规评估方法，伏安面积不可能很显著，因此氧化膜中的差异不明显。在本发明中，已经改善了评估伏安面积的方法，其中通过用伏安面积除以催化剂比表面积而标准化伏安面积。并且，通过使用CMC或PVDF粘合剂作为伏安法粘合剂，可突出伏安面积中的变化，这使得氧化膜中的差异变得清晰。CMC的使用特别优选于突出氧还原电流。
现有技术已知的碳材料可用于导电载体，所述导电载体用在用于根据本发明的燃料电池的电极催化剂中。特别优选的实例包括炭黑和活性炭，所述炭黑例如为槽法炭黑、炉法炭黑、热裂炭黑以及乙炔黑。
在聚合物电解质燃料电池中使用根据本发明的电极催化剂的情况下，可使用氟电解质或者碳氢化合物电解质作为聚合物电解质。氟聚合物电解质在含氟聚合物化合物中结合电解质基团，例如磺基或者羧酸基。用于根据本发明的燃料电池中的氟聚合物电解质是一种聚合物，所述聚合物包含例如磺基的电解质基作为在氟碳基干或者含氢氟碳(hydrofluorocarbon)基干中的取代基，并且所述分子可包括醚基、氯、羧酸基、磷酸基和芳环。通常，使用的聚合物具有作为主链基干的全氟化碳和通过例如全氟乙醚或者芳环的间隔基的磺基。现有技术中已知的具体实例包括DuPont制造的和Asahi Kasei公司制造的AciplexS。在根据本发明的燃料电池中使用的碳氢聚合物电解质在构成聚合物化合物的任何分子链中具有碳氢部分，并且包含电解质基。这里，电解质基的实例包括磺基和羧酸基。
实例
将通过下面的实例具体描述本发明。
在图3中，在下面的条件下绘制电流-电压曲线：在阳极具有12mil的气流和在阴极具有6mil的气流、电池温度为80℃、阳极起泡器温度为58℃，阴极起泡器温度为48℃，以及，铂催化剂重量为0.35mg/cm2。在零电流密度时的电池电压0.9V比理论的电动势1.2V小0.3V，该值是过电压。
图4示出了使用
Figure A200780019084D00121
CMC和PVDF为粘合剂，通过CV-N2执行的铂还原电流的伏安结果。并且，图5比较了使用
Figure A200780019084D00122
CMC和PVDF作为粘合剂，在800mV时的氧还原电流。可以看到，如果使用CMC或者PVDF作为粘合剂，还原电流中的变化较大。
类似地，图6示出了当以每2分钟为步长施加每个电位时，使用
Figure A200780019084D00123
CMC和PVDF作为粘合剂，通过1600rpm的O2-LSV执行的铂的氧还原电流的伏安结果。可以看到，如果使用PVDF作为粘合剂，氧还原电流中的变化较大。
图7示出了在伏安面积/催化剂比表面积和过电压之间的相关性。在垂直轴上绘制电池电压从理论电动势的降低量作为过电压，并且在水平轴上绘制本发明人通过将从伏安分析中获得的伏安面积除以催化剂比表面积计算的数值。
燃料电池一直受到空气电极催化剂(例如，铂催化剂)的表面氧化的问题的困扰，该问题降低了电池的电压(增加了过电压)。然而，在上面实例中，可清楚的看到在伏安面积/催化剂比表面积和过电压之间的负相关性。从图7的结果可以了解到，如果设定所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)，那么使用的燃料电池催化剂的过电压可降低到小于或等于0.4V。
工业应用性
根据本发明，从伏安法获得的电极催化剂的伏安面积，通过除以催化剂比表面积而标准化，以用作性能评估和搜索新型催化剂的指标，从而允许精确的评估和用于高性能燃料电池的电极催化剂的搜索。结果，用于燃料电池性能评估和搜索所需要的工作和时间大大减少，这将有助于燃料电池的实际使用和发展。

Claims (10)

1.一种评估用于燃料电池的电极催化剂的性能的方法，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，使用所述电极催化剂的伏安面积/催化剂比表面积作为性能评估的指标，并且，当所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)时，将所述性能评估为良好。
2.一种评估用于燃料电池的电极催化剂的性能的方法，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，使用催化剂金属的伏安面积/催化剂比表面积作为性能评估的指标，并且，当所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)时，将所述性能评估为良好。
3.根据权利要求1或2的评估用于燃料电池的电极催化剂的性能的方法，其特征在于，当测量所述伏安面积时，使用羧甲基纤维素(CMC)或者聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘合剂。
4.一种搜索用于燃料电池的电极催化剂的方法，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，使用所述电极催化剂的伏安面积/催化剂比表面积作为搜索的指标，并且，当所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)时，将结果评估为良好。
5.一种搜索用于燃料电池的电极催化剂的方法，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，使用催化剂金属的伏安面积/催化剂比表面积作为搜索的指标，并且，当所述伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)时，将结果评估为良好。
6.根据权利要求4或5的搜索用于燃料电池的电极催化剂的方法，其特征在于，当测量所述伏安面积时，使用羧甲基纤维素(CMC)或者聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘合剂。
7.一种用于燃料电池的电极催化剂，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，所述电极催化剂的伏安面积/催化剂比表面积大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)。
8.一种用于燃料电池的电极催化剂，所述电极催化剂具有在导电载体上负载的催化剂金属，其特征在于，所述电极催化剂包括具有大于等于1.0×10-4(mV·A·g/m2)的伏安面积/催化剂比表面积的催化剂金属。
9.根据权利要求7或8的用于燃料电池的电极催化剂，其特征在于，当测量所述伏安面积时，使用羧甲基纤维素(CMC)或者聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘合剂。
10.一种燃料电池，其使用根据权利要求7到9中任一项的电极催化剂。
CNA2007800190841A 2006-05-24 2007-05-24 一种评估用于电池的电极催化剂的性能的方法、搜索方法、用于电池的电极催化剂和使用所述电极催化剂的燃料电池 Pending CN101454930A (zh)

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