[发明专利]用于燃料电池的负载的催化剂材料、其制造方法以及具有此类催化剂材料的电极结构

说明书

本发明涉及用于燃料电池的负载的催化剂材料、其制造方法以及具有此类催化剂材料的电极结构。具体地，本发明涉及用于燃料电池(10)的负载的催化剂材料(20)。其包含导电的碳基载体材料(21)和沉积或生长在载体材料(21)上的催化结构(28)，该催化结构具有多层结构（核壳结构）。在此，核心层(23)包含导电的体积材料，该体积材料设置为与碳基载体材料(21)直接接触。薄的表面层(26)具有催化活性贵金属或其合金。通过将相应起始材料从气相中直接沉积到载体材料(21)上，实现所述制造。

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的碳-负载的催化剂材料以及具有此类催化剂材料的电极结构和燃料电池。本发明此外涉及制造该负载的催化剂材料的方法。

背景技术

燃料电池利用燃料与氧气生成水的化学反应以产生电能。为此，燃料电池含有所谓的膜-电极-组件（MEA）作为核心部件，其是由离子传导（大多为质子传导）膜和各一个设置在该膜两侧面上的催化电极（阳极和阴极）形成的结构。该催化电极大多包含负载的贵金属，特别是铂。此外，气体扩散层（GDL）可以在该膜-电极-组件的两侧设置在这些电极的背离该膜的侧面上。通常，燃料电池由多个以堆叠体形式设置且其电功率相加的MEA形成。在各个膜-电极-组件之间通常设置双极板 （也称为流场板或隔板），其确保为单电池提供运行介质，即反应物并通常还用于冷却。此外，这些双极板负责与膜-电极-组件的导电接触。

在燃料电池运行中，燃料（阳极运行介质），特别是氢气H₂或含氢气的气体混合物经由双极板的阳极侧敞开的流场供给阳极，在此处由H₂电化学氧化生成质子H⁺并放出电子（H₂ 2 H⁺ + 2 e^–）。通过将反应空间气密性彼此分隔并电绝缘的电解质或膜，实现从阳极空间至阴极空间中的（水结合或无水）的质子传输。在阳极上提供的电子通过电导线供给阴极。经由双极板的阴极侧敞开的流场为阴极供应氧气或含氧气的气体混合物（例如空气）作为阴极运行介质，以使得由O₂还原生成O^2-并吸收电子（½ O₂ + 2 e^– O^2-）。同时，在阴极空间中，氧阴离子与经膜传输的质子反应并形成水（O^2- + 2 H⁺ H₂O）。

在燃料电池中，通常铂充当用于燃料电池反应的催化剂。因为这涉及电化学表面工艺，力求尽可能大的催化表面积（ECSA）。为此，将若干纳米数量级的铂粒子施加到具有大表面积的碳载体上。此外，通过其它元素（尤其钴和镍）的加合金提高该催化剂的活性，以能确保更高的燃料通过量和因此高的电功率。但是，在燃料电池运行过程中，由于电极退化损失一部分电功率。对此的原因尤其是由于（不利的）运行条件的ECSA和活性损失。所基于的机理尤其包括铂的溶解（铂腐蚀）、合金元素钴或镍的腐蚀、铂纳米粒子由于奥斯瓦尔德熟化的生长、铂纳米粒子由于在碳表面上的迁移和烧结的生长、铂粒子从碳载体上的脱离。

为了抵抗催化活性的损失并能因此确保燃料电池运行时间内的功率要求，通常在制造电极时使用额外量的贵金属。但是，这一措施相当耗费成本。为了实现燃料电池中的铂量的持续降低，必须一方面改进铂粒子或铂合金粒子的耐腐蚀性并另一方面改进其在碳表面上的粘附。