[发明专利]过氧化物分解催化剂粒子

说明书

发明领域

本发明涉及催化活性组分，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。

背景技术

电化学电池通常包括用电解质隔开的阳极电极和阴极电极，在这里 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氢气或者甲醇供给到阳极，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氢(H₂O₂)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。

发明概述

本发明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，钨，钛，锆和钒的 元素的金属离子或者准金属离子。

发明详述

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 发明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)。

本发明目的是与使用质子交换膜的燃料电池一起使用。实例包括氢 燃料电池、重整氢燃料电池、直接甲醇燃料电池或者其它有机原料燃料 电池，例如使用乙醇、丙醇、二甲基或二乙基醚、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2H₂O和O₂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。