專利名稱：燃料電池的陰極催化劑以及包含它的燃料電池膜電極組件和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃料電池的陰極催化劑，以及包含它的燃料電池膜電極組件和燃料電池系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的陰極催化劑，其對(duì)氧化劑的還原反應(yīng)具有高活性和選擇性，并且可以提高包含它的燃料電池膜電極組件和燃料電池系統(tǒng)的性能。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種發(fā)電系統(tǒng)，其通過(guò)氧化劑與諸如甲醇、乙醇或天然氣等烴基燃料中的氫之間的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。
代表性的燃料電池包括聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)和直接氧化燃料電池(DOFC)。直接氧化燃料電池包括利用甲醇作為燃料的直接甲醇燃料電池。
聚合物電解質(zhì)膜燃料電池具有高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，但是它仍存在下述問(wèn)題，即需要小心處置氫氣，并且需要輔助設(shè)備，例如用于重整甲烷、甲醇、天然氣等以產(chǎn)生用作燃料氣體的氫的燃料重整處理器。
相反，直接氧化燃料電池具有比聚合物電解質(zhì)膜燃料電池低的能量密度，但是它卻具有如下優(yōu)點(diǎn)燃料易于處置；因其工作溫度低，故可以在室溫下工作；及不需要額外的燃料重整處理器。
在上述燃料電池中，用于發(fā)電的電池堆主要包括幾個(gè)至幾十個(gè)堆疊成多層的單元電池，每個(gè)單元電池由膜電極組件(MEA)和隔板(也稱為雙極板)構(gòu)成。所述膜電極組件具有以其間電解質(zhì)膜彼此連接在一起的陽(yáng)極(也稱為燃料電極或氧化電極)和陰極(也稱為空氣電極或還原電極)。
燃料電池是通過(guò)燃料的氧化和氧化劑的還原產(chǎn)生電能的發(fā)電系統(tǒng)。燃料的氧化發(fā)生在陽(yáng)極，氧化劑的還原發(fā)生在陰極。
陽(yáng)極和陰極都包括催化劑層，該催化劑層包括催化劑以增加燃料的氧化和氧化劑的還原。用于陽(yáng)極催化劑層的催化劑典型地包括鉑-釕，而用于陰極催化劑層的催化劑可以包括鉑。
但是，作為陰極催化劑的鉑具有氧化劑還原低的問(wèn)題。它還會(huì)被通過(guò)電解質(zhì)膜滲透至陰極的燃料去極化，因而在直接氧化燃料電池中變?yōu)闊o(wú)活性。因此，需要可以替代鉑的用于燃料電池陰極的改進(jìn)的催化劑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案提供燃料電池的陰極催化劑，該催化劑對(duì)氧化劑的還原反應(yīng)具有優(yōu)異的活性和選擇性。本發(fā)明的另一實(shí)施方案提供包括該陰極催化劑的燃料電池膜電極組件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，提供一種用于燃料電池的陰極催化劑，其包括含有Mo、S和I的載體，以及擔(dān)載在該載體上的活性金屬，該活性金屬選自Ru、Pt、Rh及其組合。
該載體可以是Mo6S9-xIx，式中1≤x≤7。
x可以滿足3≤x≤6。x可以滿足4.5≤x≤6。該載體可以選自納米線、納米管及其混合物。
該載體可以是納米線。該納米線可具有20～40nm的直徑。該納米線可具有20～30nm的直徑。
該納米線可具有100～400μm的長(zhǎng)度。該納米線可具有200～350μm的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，提供一種膜電極組件，其包括彼此相向的陽(yáng)極和陰極以及布置在所述陽(yáng)極和陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜，其中該陰極包括含有Mo、S和I的載體，以及擔(dān)載在該載體上的活性金屬，該活性金屬選自Ru、Pt、Rh及其組合。該載體可以是Mo6S9-xIx，式中1≤x≤7。該載體可以選自納米線、納米管及其混合物。該納米線可具有20～40nm的直徑。該納米線可具有100～400μm的長(zhǎng)度。該聚合物電解質(zhì)膜可以包括其側(cè)鏈上具有選自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基及其衍生物的陽(yáng)離子交換基團(tuán)的聚合物樹(shù)脂。該聚合物樹(shù)脂可選自氟基聚合物、苯并咪唑聚合物、聚酰亞胺基聚合物、聚醚酰亞胺基聚合物、聚苯硫醚基聚合物、聚砜基聚合物、聚醚砜基聚合物、聚醚酮基聚合物、聚醚-醚酮基聚合物、聚苯喹喔啉基聚合物及其組合。陽(yáng)極可以包括選自鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金(M是選自Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Mo、W、Rh、Ru的過(guò)渡元素及其組合)及其組合中的至少一種材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，提供一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料供給裝置、氧化劑供給裝置和至少一個(gè)發(fā)電元件，該發(fā)電元件包括膜電極組件和布置在膜電極組件每一側(cè)的隔板，該膜電極組件包括陰極、陽(yáng)極以及布置在陰極和陽(yáng)極之間的聚合物電解質(zhì)膜，其中該陰極包括含有Mo、S和I的載體，以及擔(dān)載在該載體上的活性金屬，該活性金屬選自Ru、Pt、Rh及其組合。該載體可以是Mo6S9-xIx，式中1≤x≤7。該載體可以選自納米線、納米管及其混合物。該納米線可具有20～40nm的直徑。該納米線可具有100～400μm的長(zhǎng)度。該聚合物電解質(zhì)膜可以包括其側(cè)鏈上具有選自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基及其衍生物的陽(yáng)離子交換基團(tuán)的聚合物樹(shù)脂。該聚合物樹(shù)脂可選自氟基聚合物、苯并咪唑聚合物、聚酰亞胺基聚合物、聚醚酰亞胺基聚合物、聚苯硫醚基聚合物、聚砜基聚合物、聚醚砜基聚合物、聚醚酮基聚合物、聚醚-醚酮基聚合物、聚苯喹喔啉基聚合物及其組合。陽(yáng)極可包括選自鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金(M是選自Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Mo、W、Rh、Ru的過(guò)渡元素及其組合)及其組合中的至少一種材料。


通過(guò)結(jié)合附圖參考下面的詳細(xì)說(shuō)明將更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明更完整的理解和其附加的許多優(yōu)點(diǎn)也將更加顯而易見(jiàn)，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或者類似的元件，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的膜電極組件的示意性截面圖；及圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的陰極催化劑對(duì)氧化劑的還原具有優(yōu)異的活性和選擇性，并且不因滲透至陰極的燃料而失活。該陰極催化劑包括含有Mo、S和I的載體，以及擔(dān)載在該載體上的選自Ru、Pt、Rh及其組合的活性金屬。該載體可以是Mo6S9-xIx，式中1≤x≤7。
Pt、Ru或Rh的鉑基元素的活性金屬對(duì)氧化劑的還原反應(yīng)具有高活性。空氣中的氧容易吸附并結(jié)合在Pt、Ru或Rh上，因而會(huì)阻塞Pt、Ru或Rh的活性中心，導(dǎo)致氧化劑還原的惡化，并促進(jìn)滲透至陰極的燃料的氧化。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，活性金屬Pt、Ru或Rh擔(dān)載在含有Mo、S和I的載體上，使得活性金屬的活性和選擇性得到提高。
載體的Mo元素對(duì)氧化劑的還原反應(yīng)具有高活性，因而它可以提高該陰極催化劑的活性；S阻止空氣中的氧與Pt、Ru或Rh結(jié)合，因而可以提高選擇性；以及I可以提高導(dǎo)電性。
載體包括Mo、S和I，其具體地為Mo6S9-xIx，式中x為1～7。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，x為3～6，及根據(jù)另一實(shí)施方案，x為4.5～6。該載體具有納米線的形狀，特別地，Mo6S9-xIx主要具有納米線形狀和局部具有納米管形狀。
納米線或納米管的直徑為20～40nm。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，納米線或納米管的直徑為20～30nm。當(dāng)直徑大于40nm時(shí)，催化劑的比表面積低，因而催化劑活性降低，而當(dāng)直徑小于20nm時(shí)，活性金屬難以沉積，因而降低催化劑活性。
納米線或納米管的長(zhǎng)度為100～400μm。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，納米線或納米管的長(zhǎng)度為200～350μm。當(dāng)長(zhǎng)度大于400μm時(shí)，催化劑的比表面積低，因而催化劑活性降低，而當(dāng)長(zhǎng)度小于100μm時(shí)，活性金屬難以沉積，因而降低催化劑活性。
可利用各種擔(dān)載方法，通過(guò)在含有Mo、S和I的載體上擔(dān)載Pt、Ru或Rh，制備陰極催化劑。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，擔(dān)載方法可進(jìn)行如下。
將Pt、Ru或Rh鹽溶解在溶劑中，然后向所得溶液中加入含有Mo、S和I的載體，特別是Mo6S9-xIx(式中x如上所述)，接著進(jìn)行攪拌。該溶劑可包括二甲苯、苯或甲苯。Pt鹽可包括氯鉑酸(platinum chloric acid)、乙酰丙酮合鉑或羰基鉑；Ru鹽可包括羰基釕、氯化釕或乙酰丙酮合釕；Rh鹽可包括羰基銠、氯化銠或乙酰丙酮合銠。Pt、Ru或Rh鹽和載體可以1～20∶4～1的重量比混合。
載體尤其是Mo6S9-xIx是通過(guò)以下步驟制備的，即以適當(dāng)?shù)哪柋然旌螹o、S和I，將混合物放在石英安瓿中，并且在具有兩個(gè)不同熱處理區(qū)域T1和T2的梯度爐中在200～350℃下熱處理一周。所生成的產(chǎn)物是通過(guò)在T1區(qū)域中升華然后在T2區(qū)域中提煉(extract)而得到的。這里，T1和T2滿足400℃≤T1≤500℃和350℃≤T2≤450℃。
攪拌過(guò)程在50～150℃下進(jìn)行1～24小時(shí)。
將所生成的產(chǎn)物過(guò)濾和干燥，得到本發(fā)明的陰極催化劑。這里，所述干燥過(guò)程在70～120℃下進(jìn)行1～24小時(shí)。
本發(fā)明還提供包含該燃料電池陰極催化劑的燃料電池膜電極組件。
本發(fā)明的膜電極組件包括彼此相向的陽(yáng)極和陰極以及布置在它們之間的聚合物電解質(zhì)膜。陽(yáng)極和陰極包括由導(dǎo)電物質(zhì)形成的電極基底和布置在電極基底上的催化劑層。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的膜電極組件131的示意性截面圖。下文中，將參照附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的膜電極組件131。
膜電極組件131通過(guò)燃料的氧化和氧化劑的還原產(chǎn)生電能。一個(gè)或者幾個(gè)膜電極組件可以電池堆的形式堆疊。
氧化劑在陰極5的催化劑層53被還原，該催化劑層53包含陰極催化劑，該陰極催化劑包括含有Mo、S和I的載體，以及擔(dān)載在該載體上的選自Ru、Pt、Rh及其組合的活性金屬。該陰極催化劑對(duì)氧化劑的還原反應(yīng)具有優(yōu)異的活性和高選擇性。因此該陰極催化劑提高包含它的陰極5和膜電極組件131的性能。
燃料在陽(yáng)極3的催化劑層33被氧化，該催化劑層33包括能促進(jìn)燃料氧化反應(yīng)的催化劑。該催化劑可以是現(xiàn)有技術(shù)中常用的鉑基催化劑。該鉑基催化劑包括鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金，或者它們的組合，其中M是選自Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Mo、W、Rh、Ru的過(guò)渡元素及其組合。催化劑的代表性實(shí)例包括選自下列中的至少一種Pt，Pt/Ru，Pt/W，Pt/Ni，Pt/Sn，Pt/Mo，Pt/Pd，Pt/Fe，Pt/Cr，Pt/Co，Pt/Ru/W，Pt/Ru/Mo，Pt/Ru/V，Pt/Fe/Co，Pt/Ru/Rh/Ni，Pt/Ru/Sn/W，及其組合。
該金屬催化劑可以金屬本身的形式使用(非擔(dān)載催化劑，black catalyst)，也可以擔(dān)載在載體上的形式使用。所述載體可以包括諸如乙炔黑、丹喀(denka)碳黑、活性碳、科琴(ketjen)碳黑或石墨等的碳，或者諸如氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯或氧化鈦等無(wú)機(jī)顆粒?，F(xiàn)有技術(shù)中常使用碳。
陽(yáng)極3的催化劑層33和陰極5的催化劑層53可進(jìn)一步包含粘結(jié)劑樹(shù)脂，以改善其粘結(jié)性和質(zhì)子遷移。
粘結(jié)劑樹(shù)脂可以是其側(cè)鏈上具有選自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基及其衍生物的陽(yáng)離子交換基團(tuán)的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物樹(shù)脂。該聚合物的非限制性實(shí)例包括至少一種選自下列的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物氟基聚合物，苯并咪唑基聚合物，聚酰亞胺基聚合物，聚醚酰亞胺基聚合物，聚苯硫醚基聚合物，聚砜基聚合物，聚醚砜基聚合物，聚醚酮基聚合物，聚醚-醚酮基聚合物，及聚苯喹喔啉基聚合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該質(zhì)子導(dǎo)電聚合物選自聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，具有磺酸基的四氟乙烯和氟化乙烯基醚的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，或者聚(2，5-二苯并咪唑)。
粘結(jié)劑樹(shù)脂可以單獨(dú)或者混合使用。任選地，該粘結(jié)劑樹(shù)脂可與非導(dǎo)電聚合物一起使用，以提高聚合物電解質(zhì)膜和催化劑層之間的粘結(jié)性。該粘結(jié)劑樹(shù)脂的用量可以根據(jù)其使用目的進(jìn)行調(diào)整。
所述非導(dǎo)電聚合物的非限制性實(shí)例包括聚四氟乙烯(PTFE)，四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)，四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)，乙烯/四氟乙烯(ETFE)，乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)，聚偏二氟乙烯，聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)，十二烷基苯磺酸，山梨糖醇，及其組合。
陽(yáng)極和陰極的電極基底31和51為燃料和氧化劑到催化劑的傳輸提供路徑。在一個(gè)實(shí)施方案中，電極基底由諸如炭紙、炭布或碳?xì)只蛘呓饘倏椢飿?gòu)成的，所述金屬織物包括形成在多孔織物膜或者由聚合纖維構(gòu)成的織物表面的金屬膜。電極基底并不限于此。
可在前述電極基底和催化劑層之間增加多微孔層(MPL)，以提高反應(yīng)物擴(kuò)散效果。多微孔層通常包括具有一定粒徑的導(dǎo)電粉末。導(dǎo)電材料可包括但不限于碳粉、碳黑、乙炔黑、活性碳、碳纖維、富勒烯、納米碳或其組合。納米碳可包括諸如碳納米管、碳納米纖維、碳納米線、碳納米角、碳納米環(huán)或其組合的材料。多微孔層是通過(guò)在導(dǎo)電基底上涂布包含導(dǎo)電粉末、粘結(jié)劑樹(shù)脂和溶劑的組合物形成的。該粘結(jié)劑樹(shù)脂可包括但不限于聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、乙酸纖維素、聚六氟丙烯、聚全氟烷基乙烯基醚、聚全氟磺酰基氟烷氧基乙烯基醚及其共聚物。該溶劑可包括但不限于諸如乙醇、異丙醇、正丙醇、丁醇之類的醇，水，二甲基乙酰胺，二甲亞砜，或者N-甲基吡咯烷酮。依據(jù)該組合物的粘度，所述涂布方法可包括但不限于幕涂，噴涂，刮涂，照相凹板式涂布，浸涂，絲網(wǎng)印刷，刷涂等。
聚合物電解質(zhì)膜1通過(guò)將陽(yáng)極催化劑33產(chǎn)生的質(zhì)子傳遞給陰極催化劑53而起交換離子的作用。
本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)膜的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物可以是其側(cè)鏈具有選自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基及其衍生物的陽(yáng)離子交換基團(tuán)的任何聚合物樹(shù)脂。
該聚合物樹(shù)脂的非限制性實(shí)例可包括至少一種選自下列的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物氟基聚合物，苯并咪唑基聚合物，聚酰亞胺基聚合物，聚醚酰亞胺基聚合物，聚苯硫醚基聚合物，聚砜基聚合物，聚醚砜基聚合物，聚醚酮基聚合物，聚醚-酮醚基聚合物，及聚苯喹喔啉基聚合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該質(zhì)子導(dǎo)電聚合物為選自下列中的至少一種聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，具有磺酸基的四氟乙烯與氟乙烯基醚的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，或者聚(2，5-二苯并咪唑)。
在質(zhì)子導(dǎo)電聚合物的質(zhì)子導(dǎo)電基團(tuán)中，H可以被Na、K、Li、Cs或四丁基銨取代。當(dāng)用Na取代質(zhì)子導(dǎo)電基團(tuán)末端的離子交換基團(tuán)中的H時(shí)，使用NaOH。當(dāng)H被四丁基銨取代時(shí)，使用氫氧化四基丁銨。也可以用適當(dāng)?shù)幕衔镞M(jìn)行K、Li或Cs取代。在現(xiàn)有技術(shù)中，取代H的方法是已知的，因此不詳細(xì)說(shuō)明了。
膜電極組件131可以用作諸如聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)和直接氧化燃料電池等燃料電池系統(tǒng)的組成部分之一。由于陰極催化劑層53的催化劑對(duì)氧化劑的還原反應(yīng)具有優(yōu)異的選擇性，所以它可以有效地用于直接氧化燃料電池，特別是存在燃料滲透問(wèn)題的直接甲醇燃料電池。
下面將更詳細(xì)地說(shuō)明包括膜電極組件131的燃料電池系統(tǒng)的組成要素。膜電極組件131可用于其它燃料電池系統(tǒng)，并且不限于特定的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括至少一個(gè)發(fā)電元件、燃料供給裝置和氧化劑供給裝置。
發(fā)電元件包括膜電極組件和位于膜電極組件兩側(cè)的隔板。發(fā)電元件通過(guò)燃料的氧化和氧化劑的還原而發(fā)電。
燃料供給裝置起著給發(fā)電元件提供包括氫的燃料的作用，氧化劑供給裝置起著給發(fā)電元件提供氧化劑的作用。燃料包括液態(tài)或氣態(tài)氫，或者碳?xì)浠衔镱惾剂先缂状?、乙醇、丙醇、丁醇或天然氣。氧化劑包括氧氣或空氣。但是，燃料和氧化劑不局限于此?br> 圖2示出了下面將參照附圖詳細(xì)說(shuō)明的燃料電池系統(tǒng)100的示意性結(jié)構(gòu)。圖2圖示了燃料電池系統(tǒng)100，其中燃料和氧化劑通過(guò)泵151和171提供給發(fā)電元件130，但是本發(fā)明并不限于這種結(jié)構(gòu)。作為選擇，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可包括其中燃料和氧化劑以擴(kuò)散形式提供的結(jié)構(gòu)。
燃料電池系統(tǒng)100包括由通過(guò)燃料和氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的至少一個(gè)發(fā)電元件130組成的電池堆110，用于提供燃料給發(fā)電元件130的燃料供給裝置150，及用于提供氧化劑給發(fā)電元件130的氧化劑供給裝置170。
另外，燃料供給裝置150裝有儲(chǔ)存燃料的罐153和與之連接的泵151。燃料泵151以預(yù)定的抽吸功率提供儲(chǔ)存在罐153中的燃料。給電池堆110的發(fā)電元件130提供氧化劑的氧化劑供給裝置170裝有用于以預(yù)定的抽吸功率提供氧化劑的至少一個(gè)泵171。
發(fā)電元件130包括膜電極組件131以及隔板133和135，膜電極組件131氧化氫或燃料并還原氧化劑，隔板133和135分別位于膜電極組件131的相對(duì)側(cè)，并分別提供氫或燃料和氧化劑。
下面的實(shí)施例更詳細(xì)地示出本發(fā)明。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1將0.7g的羰基釕溶解在150ml二甲苯中。向所制備的溶液中加入0.5g的Mo6S4.5I4.5，然后在140℃下攪拌24小時(shí)，過(guò)濾，并在90℃下干燥7小時(shí)，制得用于燃料電池的陰極催化劑。
這里，將0.6mol的Mo、0.45mol的S和0.45mol的I在真空下置于石英安瓿中，并將該混合物在具有450℃(T1)和430℃(T2)兩個(gè)不同熱處理區(qū)域的梯度爐中于250℃下熱處理1周。結(jié)果，從T2(430℃)區(qū)域獲得Mo6S4.5I4.5。而且，Mo6S4.5I4.5具有直徑為20nm、長(zhǎng)度為200μm的納米線形狀。
對(duì)比例1將0.6g羰基釕、0.03g的Se和1g的碳溶解在150ml甲苯中。該所得物在140℃下混合24小時(shí)。過(guò)濾該混合的產(chǎn)物。將過(guò)濾產(chǎn)物在80℃下干燥，然后在提供H2條件下于250℃熱處理3小時(shí)。
通過(guò)在0.5M濃度的硫酸溶液中吹入氧氣2小時(shí)，制備氧飽和的硫酸溶液。通過(guò)以3.78×10-3mg的量在玻璃狀碳上擔(dān)載根據(jù)實(shí)施例1的催化劑和根據(jù)對(duì)比例1的釕黑，以制備工作電極，同時(shí)采用鉑網(wǎng)作為反電極。然后，將兩個(gè)電極都放入氧飽和的硫酸溶液，并在改變電壓的同時(shí)測(cè)量電流密度。結(jié)果示于下面的表1中。
表1

如表1所示，根據(jù)實(shí)施例1的催化劑比根據(jù)對(duì)比例1的催化劑具有更好的活性。
本發(fā)明的陰極催化劑具有還原氧化劑的高活性和高選擇性，并且能提高燃料電池膜電極組件以及燃料電池系統(tǒng)和包括它的膜電極組件的性能盡管結(jié)合當(dāng)前考慮到實(shí)際典型的實(shí)施例說(shuō)明了這個(gè)發(fā)明，但是可以理解本發(fā)明不局限于公開(kāi)的實(shí)施例，相反，本發(fā)明將覆蓋在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)包括的各種改進(jìn)和等價(jià)變換。
權(quán)利要求
1.一種陰極催化劑，包括含有Mo、S和I的載體；及擔(dān)載在該載體上的活性金屬，該活性金屬選自Ru、Pt、Rh及其組合。
2.權(quán)利要求1的陰極催化劑，其中該載體是Mo6S9-xIx，式中1≤x≤7。
3.權(quán)利要求2的陰極催化劑，其中3≤x≤6。
4.權(quán)利要求3的陰極催化劑，其中4.5≤x≤6。
5.權(quán)利要求1的陰極催化劑，其中該載體選自納米線、納米管及其混合物。
6.權(quán)利要求5的陰極催化劑，其中該載體是納米線。
7.權(quán)利要求6的陰極催化劑，其中該納米線的直徑為20～40nm。
8.權(quán)利要求7的陰極催化劑，其中該納米線的直徑為20～30nm。
9.權(quán)利要求6的陰極催化劑，其中該納米線的長(zhǎng)度為100～400μm。
10.權(quán)利要求9的陰極催化劑，其中該納米線的長(zhǎng)度為200～350μm。
11.一種膜電極組件，包括彼此相向的陽(yáng)極和陰極；及聚合物電解質(zhì)膜，該聚合物電解質(zhì)膜布置在所述陽(yáng)極和陰極之間，其中所述陰極包括含有Mo、S和I的載體，及擔(dān)載在該載體上的活性金屬，該活性金屬選自Ru、Pt、Rh及其組合。
12.權(quán)利要求11的膜電極組件，其中該載體是Mo6S9-xIx，式中1≤x≤7。
13.權(quán)利要求11的膜電極組件，其中該載體選自納米線、納米管及其混合物。
14.權(quán)利要求13的膜電極組件，其中該納米線的直徑為20～40nm。
15.權(quán)利要求13的膜電極組件，其中該納米線的長(zhǎng)度為100～400μm。
16.權(quán)利要求11的膜電極組件，其中該聚合物電解質(zhì)膜包括其側(cè)鏈上具有選自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基及其衍生物的陽(yáng)離子交換基團(tuán)的聚合物樹(shù)脂。
17.權(quán)利要求16的膜電極組件，其中該聚合物樹(shù)脂選自氟基聚合物、苯并咪唑基聚合物、聚酰亞胺基聚合物、聚醚酰亞胺基聚合物、聚苯硫醚基聚合物、聚砜基聚合物、聚醚砜基聚合物、聚醚酮基聚合物、聚醚-醚酮基聚合物、聚苯喹喔啉基聚合物及其組合。
18.權(quán)利要求11的膜電極組件，其中該陽(yáng)極包括選自鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金(M是選自Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Mo、W、Rh、Ru的過(guò)渡元素及其組合)及其組合中的至少一種材料。
19.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料供給裝置；氧化劑供給裝置；及至少一個(gè)發(fā)電元件，該發(fā)電元件包括膜電極組件和布置在膜電極組件每側(cè)的隔板，該膜電極組件包括陰極，陽(yáng)極，及布置在所述陰極和陽(yáng)極之間的聚合物電解質(zhì)膜，其中該陰極包括含有Mo、S和I的載體，及擔(dān)載在該載體上的活性金屬，該活性金屬選自Ru、Pt、Rh及其組合。
20.權(quán)利要求19的燃料電池系統(tǒng)，其中該載體是Mo6S9-xIx，式中1≤x≤7。
21.權(quán)利要求19的燃料電池系統(tǒng)，其中該載體選自納米線、納米管及其混合物。
22.權(quán)利要求21的燃料電池系統(tǒng)，其中該納米線的直徑為20～40nm。
23.權(quán)利要求21的燃料電池系統(tǒng)，其中該納米線的長(zhǎng)度為100～400μm。
24.權(quán)利要求19的燃料電池系統(tǒng)，其中該聚合物電解質(zhì)膜包括其側(cè)鏈上具有選自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基及其衍生物的陽(yáng)離子交換基團(tuán)的聚合物樹(shù)脂。
25.權(quán)利要求24的燃料電池系統(tǒng)，其中該聚合物樹(shù)脂選自氟基聚合物、苯并咪唑基聚合物、聚酰亞胺基聚合物、聚醚酰亞胺基聚合物、聚苯硫醚基聚合物、聚砜基聚合物、聚醚砜基聚合物、聚醚酮基聚合物、聚醚-醚酮基聚合物、聚苯喹喔啉基聚合物及其組合。
26.權(quán)利要求19的燃料電池系統(tǒng)，其中該陽(yáng)極包括選自鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金(M是選自Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Mo、W、Rh、Ru的過(guò)渡元素及其組合)及其組合的至少一種材料。
全文摘要
一種陰極催化劑，包括含有Mo、S和I的載體以及擔(dān)載在該載體上的活性金屬，該活性金屬包括選自Ru、Pt、Rh及其組合的材料。已經(jīng)表明，這種陰極催化劑具有比鉑催化劑更高的活性。
文檔編號(hào)H01M4/90GK101036890SQ20071010164
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者亞歷克西·亞歷山德羅維克塞羅夫, 郭燦, 李時(shí)賢 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社