[发明专利]抗腐蚀催化剂

说明书

本发明提供一种形成用于燃料电池催化剂层的抗腐蚀催化剂的方法。该方法包括以下步骤：在NbO₂基底颗粒上沉积保形铂薄层或铂合金薄层以形成镀铂NbO₂；然后，将镀铂NbO₂颗粒并入到燃料电池催化剂层中。

技术领域

在至少一个实施例中，本发明涉及由阳极污染所导致的燃料电池中的电压损失的恢复方法和系统。

背景技术

在许多应用中，燃料电池作为电源来使用。特别是，燃料电池被提出用于汽车来代替内燃机。常用的燃料电池设计采用固态聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)来提供阳极和阴极之间的离子传输。

在质子交换膜型燃料电池中，氢供给至阳极作为燃料，且氧供给至阴极作为氧化剂。氧可为纯净形式(O₂)或空气形式(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，在该膜电极组件中，固态聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，并且在反面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层由多孔导电材料形成，例如，编织石墨、石墨化薄片或碳纸，从而使燃料和氧化剂分散在分别朝向燃料供给电极和氧化剂供给电极的膜的表面。每个电极均具有支撑在碳颗粒上的微细催化剂颗粒(例如，铂颗粒)，以促进氢在阳极氧化以及氧在阴极还原。质子经离子导电聚合物膜从阳极流出至阴极，在阴极，质子与氧结合形成水，水从电池排出。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，该多孔气体扩散层依次夹在一对无孔导电元素或板之间。该板作为阳极和阴极的集电器，并包含形成在其中的适当的通道和开口，用于在相应的阳极和阴极催化剂的表面上分布燃料电池的气体反应剂。为了有效地产生电，PEM燃料电池的高分子电解质膜必须是薄的、化学稳定的、能传送质子的、不导电的且不透气的。在典型的应用中，燃料电池以多个独立的燃料电池组的整列形式设置，以便提供高级电源。

碳黑通常用于支撑和分散铂催化剂。然而，碳在高电位下容易被氧化。碳支撑体的腐蚀导致铂聚结加速并导致氧运输退化。因此，燃料电池系统必须实施机制以防止意外的高电位暴露。这些抑制特别是在阳极侧面形成挑战。具有良好的稳定性和充分的导电性以合理的成本用于燃料电池中的非碳支撑体十分有限。其中，NbO₂是很好的候选，某些方面已被试验，然而，NbO₂可进一步被氧化成非导电的Nb₂O₅。

因此，需要更耐用的催化剂系统，用于燃料电池催化剂层。

发明内容

本发明通过在至少一个实施例中提供一种形成用于燃料电池催化剂层的抗腐蚀催化剂的方法来解决现有技术中的一个或多个问题。该方法包括以下步骤：在NbO₂基底颗粒上沉积保形铂薄层或铂合金薄层以形成镀铂NbO₂颗粒；然后，将镀铂NbO₂颗粒并入到燃料电池催化剂层中。该沉积步骤采用还原性H₂等离子体原子层沉积(ALD)工艺，在该工艺中，表面NbO₂被还原成具有高表面能并与铂强有力结合的NbO或Nb。这导致层生长而不是通常的3D生长。有利地是，被铂层保护的催化剂具有较高的抗高电位能力，尽管在铂表面积保留方面比现有技术材料表现的更好。作为一个附加好处，Pt-ALD/NbO₂与一氧化碳(“CO”)形成较弱结合，这导致与Pt/C相比，CO覆盖度较低且正氧化峰值较小。因此，本实施例的抗腐蚀催化剂还是更耐CO的催化剂。

在另一个实施例中，还提供了一种油墨组合物，其包括通过上文所述方法制成的镀铂NbO₂颗粒。该油墨组合物包括镀铂NbO₂颗粒，镀铂NbO₂颗粒通过将保形铂薄层或铂合金薄层沉积在NbO₂基底颗粒上以形成该镀铂NbO₂颗粒而形成。该油墨组合物还包括离聚物和溶剂。

附图说明