CN1291513C - 一种燃料电池用催化剂及其燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池用催化剂，该催化剂包括纳米碳球和催化剂金属，且催化剂金属是以原子形式镶嵌在纳米碳球的边角或转折部分上。另，本发明还提供一种燃料电池，该燃料电池包括气体扩散层、正极、负极及质子交换膜，正极和负极是由上述催化剂构成。与现有技术相比较，本发明提供的燃料电池用催化剂形态稳定、分散度高。另，本发明提供的燃料电池，因使用上述催化剂，可以获得较高的催化剂活性面积，有助于电池反应的进行，且催化剂分散度高，能够减小活性极化所造成的电位降，因而可以得到较好的电池效能。

Description

一种燃料电池用催化剂及其燃料电池
【技术领域】
本发明涉及一种燃料电池用催化剂及其燃料电池，特别是涉及一种高分散的燃料电池用催化剂及其燃料电池。
【背景技术】
随着全世界人口和人类活动的增长，人类常常受到可支持其各种活动的电能供应能力的限制。燃料电池通过直接从化学原料例如氧和甲醇产生电能为解决这一困难提供一种解决途径，即，燃料电池是以电化学的方式发电，以甲醇为燃料，与氧气作用后产生电能以及少量的热能，所以也称为冷燃烧。而且，燃料电池产生电能后排放的产物为水(H2O)，符合环保标准，解决直接燃烧工艺固有的污染问题。尤其当设备需要低功率、长时间使用时，更能发挥其效益。另外，燃料电池还有其它优点包括本身寿命长、并可以调整本体结构以符合设备要求等。所以，燃料电池可广泛应用于车辆牵引用电能供应、家庭及工业用固定电能供应及船舶用电能供应等领域。
目前在电动汽车方面，国内外均已有样车问世，但距离商业化应用还有一定距离，其主要原因之一是目前的燃料电池多使用铂(Pt)等贵金属材料为电极催化剂材料，成本较高。解决方法之一是制备出高分散催化剂，提高铂的利用率，使电极单位面积上铂的使用量大大降低，从而降低成本。
已有专利和期刊文献中关于燃料电池的Pt/C催化剂的制备方法主要有两种，即沉淀法和浸渍法。如美国专利第4,004,193号和日本公开专利JP99-47597公开用沉淀法制备Pt/C催化剂的方法，该方法以铂的亚硫酸盐为原料，通过与双氧水反应沉淀为PtOX胶体，然后再将这种PtOX胶体负载到碳黑上，从而得到Pt/C催化剂。浸渍法研究较多，该方法是将铂以氯铂酸根或铂氨络合离子的形式吸附到碳载体上。如美国第3,857,737号专利公开一种以碳黑为载体，采用铂氨络合离子浸渍法制备Pt/C催化剂的方法。
但是，通过上述制法获得的Pt/C催化剂是先使铂以氧化态或离子态分散到碳黑载体中，再通过还原或加热等方法将其转化为金属态，在转化为金属态的过程中，铂容易发生再凝聚现象而导致分散性降低，无法达到预期的高分散度，且上述制程较为复杂。
有鉴于此，提供一种高分散的燃料电池用催化剂及其燃料电池实为必要。
【发明内容】
为解决现有技术中催化剂分散度低的问题，本发明的目的在于提供一种高分散的燃料电池用催化剂。
本发明的另一目的在于提供一种使用上述催化剂的燃料电池。
为实现本发明的目的，本发明提供一种燃料电池用催化剂，该催化剂包括纳米碳球和催化剂金属，且催化剂金属是以原子形式镶嵌在纳米碳球的边角或转折部分上。其中，纳米碳球的直径为50～100纳米，催化剂金属包括金属铂或钌(Ru)等贵金属材料。
为实现本发明的另一目的，本发明提供一种燃料电池，该燃料电池包括气体扩散层、正极、负极及质子交换膜，其中，正极和负极是由催化剂构成，催化剂包括纳米碳球和催化剂金属，催化剂金属是以原子形式镶嵌在纳米碳球的边角或转折部分上。纳米碳球的直径为50～100纳米，催化剂金属包括金属铂或钌等贵金属材料。
与现有技术相比较，本发明提供的燃料电池用催化剂包括纳米碳球和催化剂金属，其中催化剂金属是通过化学置换反应以原子形式镶嵌在纳米碳球的边角或转折部分上，形态稳定，从而实现该催化剂的高分散度。另外，本发明提供的燃料电池，由于使用上述催化剂，可以得到较高的催化剂活性面积，有助于反应的进行，且催化剂分散度高，能够减小活性极化所造成的电位降，因而可以得到较好的电池效能。
【附图说明】
图1是本发明的燃料电池反应器的局部示意图。
图2是本发明的燃料电池用催化剂的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明较佳实施例的燃料电池9包括气体扩散层4和8、正极5、负极7、质子交换膜6，其中，质子交换膜6位于正极5和负极7之间，气体扩散层4和8则分别位于正极5和负极7的外侧。
请同时参阅图2，正极5和负极7均由催化剂3构成，催化剂3包括纳米碳球1和催化剂金属2，催化剂金属2以原子形式镶嵌在纳米碳球1的边角或转折部分上，在本实施例中，催化剂金属2采用金属铂。
纳米碳球1是由多层石墨层以球中球结构所组成的多面体碳簇，其直径为50～100纳米，外部石墨层中央部分是六元环，边角或转折部分则由五圆环组成，每个碳原子皆为sp2杂化，该纳米碳球导电性能优良、强度好且化学性能稳定。由于纳米碳球1在边角或转折部分的活性能较大，所以铂原子与纳米碳球1发生化学置换反应时，铂原子置换纳米碳球1的边角或转折部分的碳原子(图未示)，其结果是铂原子镶嵌在纳米碳球1的边角或转折部分上，达成均匀的高分散形态，且铂原子与周围的碳原子是以共价键结合，可大大提高铂原子的稳定性，从而在实现铂原子的高分散度的同时，可防止铂原子在制备过程中和制备完成后发生再聚合现象。
下面，对本实施例中燃料电池9的工作过程进行详细说明，请同时参阅图1和图2。
在本实施例中，气体扩散层4和8使用经过疏水处理的碳布或碳纸，正极4和负极7由纳米碳球1和铂原子组成的催化剂3构成，质子交换膜6为一可传导质子(H+)的高分子膜，甲醇(CH3OH)作为正极原料气体由气体扩散层4侧通入，氧气(O2)作为负极原料气体由气体扩散层8侧通入，反应时，铂原子使甲醇在正极5释放出电子、质子及二氧化碳，电子经外电路(图未示)传递到达负极7，质子在负极7与正极传递的电子及气体扩散层8侧通入的氧气相结合，最终的产物是水，总反应式如下：
正极5、负极7部分的具体反应过程分别如下所述。
在正极5部分是通过催化剂3发挥催化作用达成如下反应：
在反应(2)中所生成的质子和电子，分别透过质子交换膜6和外电路传递到负极7。在负极7部分也是通过催化剂3发挥催化作用达成如下反应：
可替换地，正极原料气体也可使用氢气(H2)或其它可释放出质子(H+)的气体等，负极原料气体也可使用空气或其它含氧气体等，催化剂金属2也可使用钌等贵金属材料。
另，本领域所属技术人员应明白，本发明提供的燃料电池可为质子交换膜燃料电池、固态氧化物燃料电池等各种燃料电池，本发明提供的燃料电池还可为其它具体形状结构，如立式、卧式或据其实际应用而定的形态构造等，应以其实际应用形式而定，不应以具体实施方式为限。

Claims (10)

1.一种燃料电池使用的催化剂，包括纳米碳球和催化剂金属，其特征在于：催化剂金属是以原子形式镶嵌在纳米碳球的边角或转折部分上。
2.如权利要求1所述的燃料电池使用的催化剂，其特征在于：所述纳米碳球的直径为50～100纳米。
3.如权利要求1所述的燃料电池使用的催化剂，其特征在于：所述催化剂金属包括金属铂(Pt)或钌(Ru)。
4.一种燃料电池，包括气体扩散层、正极、负极及质子交换膜，正极和负极由催化剂构成，其特征在于：所述催化剂包括纳米碳球和催化剂金属，催化剂金属是以原子形式镶嵌在纳米碳球的边角或转折部分上。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：所述纳米碳球的直径为50～100纳米。
6.如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：所述催化剂包括金属铂(Pt)或钌(Ru)。
7.如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：所述气体扩散层材料包括碳布或碳纸，质子交换膜为一高分子膜。
8.如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于：所述碳布或碳纸经过疏水处理。
9.如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于：所述正极侧气体扩散层通入的正极原料气体包括甲醇或氢气或其它可释放出质子的气体。
10.如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于：所述负极侧气体扩散层通入的负极原料气体包括氧气或空气或其它含氧气体。
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