專利名稱：燃料電池用催化劑及其制備、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催化劑，其制備方法，以及膜-電極組件和包括該催化劑的燃料電池系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及能夠提供高性能燃料電池的用于燃料電池的催化劑，其制備方法，以及膜-電極組件和包括該催化劑的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是通過氧化劑和燃料如氫氣或烴基材料如甲醇、乙醇、天然氣等的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)電能的能量產(chǎn)生系統(tǒng)。
代表性的示例性燃料電池包括聚合物電解質(zhì)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使用甲醇作為燃料的直接甲醇燃料電池。聚合物電解質(zhì)燃料電池是代替常規(guī)能源的環(huán)境友好能源。它具有的優(yōu)點(diǎn)如高動(dòng)力輸出密度和高能量轉(zhuǎn)化效率，可在室溫下操作，尺寸下降，且是嚴(yán)格密封的。因此，它可適用于廣泛的領(lǐng)域中，如無污染汽車、發(fā)電系統(tǒng)、以及移動(dòng)設(shè)備、軍事設(shè)備的便攜式電源等。
根據(jù)所用的燃料種類，燃料電池可以分成氣體類型燃料電池和液體類型燃料電池。
通常使用氫氣作為燃料的氣體類型燃料電池，具有高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，但是這種類型的燃料電池也存在需要仔細(xì)處理氫氣和要求輔助設(shè)施，如燃料重整處理器的問題，該處理器用于重整甲烷或甲醇、天然氣等以生產(chǎn)作為燃料氣體的氫氣。
相反，使用液體燃料的液體類型燃料電池，具有比氣體類型燃料電池低的能量密度，但它的優(yōu)點(diǎn)是液體類型燃料易于處理，可低操作溫度，和不需要另外的燃料重整處理器。因此，它被認(rèn)為是合適的用于小的和通常電氣設(shè)備的便攜式電源的系統(tǒng)。
在以上燃料電池中，產(chǎn)生電的堆疊物基本包括在多層中堆疊的幾個(gè)到數(shù)十個(gè)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)形成。該膜-電極組件具有彼此附著的陽極(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)，陽極和陰極間具有電解質(zhì)膜。
通常，在各種類型中，陽極和陰極使用鉑作為催化劑。特別在DOFC中，未負(fù)載在載體上的Pt催化劑用于獲得高度活性的膜-電極組件。在PEMFC中，更多的工作在于通過將催化劑層布置得更接近膜并降低催化劑層的厚度以獲得高電池效率。
納米尺寸的鉑催化劑通常使用碳或另外的載體制備。然而，由于在直接甲醇燃料電池中的催化劑是未負(fù)載的Pt黑或鉑合金，因此應(yīng)使用諸如表面活性劑的材料以制備納米尺寸的催化劑。然而，在使用這樣的表面活性劑的情況下，雖然可以將催化劑粒子的尺寸控制到一定程度，但是非常昂貴的。特別是合金催化劑更難以制備。同時(shí)，也難以從獲得的產(chǎn)物中完全除去表面活性劑，并且去除工藝也很復(fù)雜。剩余的表面活性劑可使催化劑中毒。即使完全除去了表面活性劑，然而由于所制備的催化劑是不穩(wěn)定的，且可聚集形成大塊的鉑顆粒催化劑，因此從效率方面考慮，該制備的催化劑也不是優(yōu)選的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方案提供用于具有優(yōu)異效率的燃料電池的催化劑。
另一個(gè)實(shí)施方案提供該用于燃料電池的催化劑的制備方法。
本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施方案提供包含該催化劑的用于燃料電池系統(tǒng)的膜-電極組件。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案提供包含該催化劑的燃料電池系統(tǒng)。
這些實(shí)施方案提供本發(fā)明的以上和其它特征。
本發(fā)明的實(shí)施方案提供用于燃料電池的催化劑，該催化劑包括過渡元素核和表面層，該表面層包括選自鉑、鉑-過渡元素合金及其結(jié)合物中的至少一種，且該表面層存在于核表面上。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案提供一種用于燃料電池的催化劑的制備方法。該方法包括如下工藝混合水溶性鉑溶液和非水溶性還原劑或混合水溶性還原劑和非水溶性鉑前體，和然后在界面上誘導(dǎo)鉑與還原劑的還原反應(yīng)。
可以在還原反應(yīng)之后進(jìn)行熱處理。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案提供一種膜-電極組件，該組件包括彼此相向的陰極和陽極，和布置在該陽極和該陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜。該陽極和該陰極包括用于燃料電池的催化劑，該催化劑包括催化劑層和導(dǎo)電襯底的電極支持物。該催化劑層包括過渡元素核和表面層，該表面層包含選自鉑、鉑-過渡元素合金及其結(jié)合物中的至少一種，且該表面層存在于該核表面上。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案提供一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)電產(chǎn)生元件，該電產(chǎn)生元件通過氫氣或燃料的氧化和氧化劑的還原產(chǎn)生電，向電產(chǎn)生元件提供氫氣或燃料的燃料供給裝置，和向電產(chǎn)生元件提供氧化劑的氧化劑供給裝置。該電產(chǎn)生元件包括上述膜-電極組件和布置在該膜-電極組件兩側(cè)的隔板。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過參考如下詳細(xì)描述，對本發(fā)明更完全的認(rèn)識及其伴隨的許多優(yōu)點(diǎn)將是顯然的，附圖中同樣的標(biāo)號指示相同或相似的部件，其中圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池的催化劑結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1使用的鐵粒子的TEM照片；圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的通過機(jī)械混合制備的催化劑的EDX(能量分散X射線分析)-TEM照片；圖5顯示的是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2制備的催化劑的XRD結(jié)果的圖；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3的通過機(jī)械混合制備的催化劑的EDX-TEM照片；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3的通過機(jī)械混合制備的催化劑的EDX-TEM照片；圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3制備的催化劑的TEM照片；和圖9A和9B顯示的是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3制備的催化劑的XANES測量結(jié)果的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及可主要用于直接氧化燃料電池的具有優(yōu)異效率的催化劑。如圖1所示，該催化劑含有過渡元素核1和表面層3，該表面層3包括至少一種選自鉑和鉑-過渡元素合金所組成的組中，且該表面層3存在于所述核的表面上。
過渡元素核可包括選自如下組中的至少一種V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Ir、W、Mo和Rh。通常燃料電池對于陰極和陽極均使用相同的催化劑，但在本發(fā)明中，優(yōu)選陰極催化劑為含有鉑以及含有例如V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn的過渡元素，陽極催化劑含有例如Ru、Ir、W、Mo或Rh的過渡元素。
表面層中的鉑或鉑-過渡元素合金的平均粒徑可為1～5nm(納米)，更優(yōu)選1～3nm。當(dāng)催化劑粒子具有1～5nm的細(xì)度的平均粒徑時(shí)，催化劑利用效率被提供，結(jié)果是改進(jìn)了電池的性能特性。
表面層可具有1～5nm的厚度。在根據(jù)本發(fā)明的催化劑的表面層3中，組成鉑-過渡元素合金中過渡元素的量具有從催化劑的表面向核降低的濃度梯度。
本發(fā)明的催化劑可以是催化劑未負(fù)載在載體上的黑型(black type)，或催化劑負(fù)載在載體上的負(fù)載類型。在本說明書中，術(shù)語“黑”表示未負(fù)載在載體上的催化劑金屬。至于載體，可以使用通常用于燃料電池的碳載體或無機(jī)材料載體。碳載體可包括KETJEN黑、DENKA黑、VULCAN X、乙炔黑、碳納米管、碳納米纖維、中孔碳(mesophorus carbon)、碳泡沫(carbon foam)、碳?xì)馊苣z、石墨等。無機(jī)材料載體可包括氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯等。然而，本發(fā)明的載體不限于此。
與常規(guī)方法不同，具有以上結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的催化劑采用沒有表面活性劑的新方法來制備。鉑前體和還原劑分別存在于有機(jī)層(或無機(jī)層)和無機(jī)層(或有機(jī)層)中。在此條件下，如外部不施加任何物理力，則鉑的還原反應(yīng)不發(fā)生。然后，施加預(yù)定的外部力以誘導(dǎo)在無機(jī)層和有機(jī)層的界面發(fā)生混合和即時(shí)的還原反應(yīng)以制備催化劑。這樣的方法可用于制備小納米粒子，并因此可以通過調(diào)節(jié)與還原劑的接觸時(shí)間來降低粒度。
可以根據(jù)如下兩種方法混合鉑前體和還原劑。
首先，混合水溶性鉑溶液和非水溶性還原劑。在混合工藝中，在水溶性鉑溶液和非水溶性還原劑之間的界面誘導(dǎo)鉑的還原反應(yīng)。通過以10～1000次/min(次每分鐘)的速度下?lián)u動(dòng)來混合水溶性鉑溶液和非水溶性還原劑的兩層溶液。通過調(diào)節(jié)搖動(dòng)速度，使鉑離子在還原劑表面還原以生產(chǎn)1～5nm的平均粒徑和具有核-殼構(gòu)型的微小尺寸的鉑催化劑。
通過在水中溶解鉑前體來制備水溶性鉑溶液。鉑前體可包括四胺氯化鉑(II)水合物(tetraamine platimum(II)chloride hydrate)或六氯鉑酸氫鹽(IV)(hrdrogen hexachloroplatinate(IV))等。
非水溶性還原劑可包括鐵(Fe)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、釕(Ru)、錳(Mn)、鎢(W)、銥(Ir)、釩(V)、鉬(Mo)、銠(Rh)等。由于鐵通常易于氧化，因此在有機(jī)溶劑如礦物油存在提供商品。在本發(fā)明中，礦物油中的鐵可以按其原樣使用。或者，也可以使用均勻和微小尺寸的球形鐵粒子(S.J.Park，S.Kim，S.Lee，Z.G.Khim，K.Char，T.Hyeon*J.Amer.Chem.Soc.2000，122，8581.)或鈷納米粒子(Chem.Commun.，2001，2212-2213)。如在以上文章中所公開的，通過調(diào)節(jié)粒度制備具有小于5nm粒度的鐵粒子或鈷粒子。
優(yōu)選考慮鉑前體的特性進(jìn)行混合工藝。例如，當(dāng)使用酸性六氯鉑酸氫鹽時(shí)，可以加入堿溶液，并可以在4～7的pH下進(jìn)行混合工藝。堿溶液可以使用NaOH、Na2CO3、NaHSO4等。
隨后，可以用酸處理混合物以除去非水溶性還原劑。
在過濾該溶液之后，進(jìn)行熱處理，從而獲得含有過渡元素核和在該核表面上存在的鉑-過渡元素合金的催化劑。當(dāng)在溫和條件下進(jìn)行熱處理時(shí)，可以獲得含有過渡元素核和在該核表面上存在的鉑外殼的催化劑。鉑通過過渡元素的氧化而被還原，因此鉑被弱結(jié)合到過渡元素核上。通過熱處理，可在過渡元素的表面上形成鉑和過渡元素的合金。熱處理可以在300～1100℃(攝氏度)下進(jìn)行，熱處理時(shí)間可以調(diào)節(jié)為10分鐘～12小時(shí)。熱處理可以在還原氣氛如氫氣或CO氣氛下進(jìn)行。
其次，可以混合水溶性還原劑和非水溶性鉑前體。當(dāng)混合該水溶性還原劑和該非水溶性鉑前體時(shí)，可以由標(biāo)準(zhǔn)還原電勢通過自發(fā)還原反應(yīng)制備鉑。對于非水溶性鉑前體，可以使用乙酰丙酮鉑(II)。對于水溶性還原劑，可以使用V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Ir、W、Mo、Zn、Rh等。
燃料電池中的陰極和陽極不由材料，而由功能來進(jìn)行區(qū)分，即陽極用于氫氣或燃料的氧化，陰極用于氧化劑的還原。因此，本發(fā)明用于燃料電池的催化劑可用于陰極和陽極兩者。換言之，向燃料電池中的陽極提供氫氣或燃料，陰極具有氧化劑，陽極和陰極可通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。有機(jī)燃料的氧化反應(yīng)在陽極發(fā)生和氧化劑的還原反應(yīng)在陰極發(fā)生，引起在兩電極之間的電壓差。
陰極和陽極包括作為電極支持物的氣體擴(kuò)散層以及本發(fā)明的催化劑。至于氣體擴(kuò)散層，可以使用碳紙、碳布或金屬織物，但不限于此。氣體擴(kuò)散層通過擴(kuò)散反應(yīng)氣體而起支持電極的作用，并幫助氣體易于接近催化劑層。此外，關(guān)于氣體擴(kuò)散層，優(yōu)選使用由氟基樹脂如聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、氟代乙烯丙烯、聚氯三氟乙烯等處理的拒水的碳紙、碳布或金屬織物，這是由于它可保護(hù)氣體擴(kuò)散效率不由當(dāng)燃料電池操作時(shí)產(chǎn)生的水而劣化。
此外，電極可以在氣體擴(kuò)散層和催化劑層之間另外包括微孔層，以改進(jìn)氣體擴(kuò)散層的氣體擴(kuò)散效果。該微孔層均勻地將氣體提供到催化劑層，并且也提供將催化劑層中產(chǎn)生的電子傳送到多孔聚合物膜。通常，它可包含具有小粒徑的導(dǎo)電粉末，例如碳粉、炭黑、乙炔黑、活性炭、納米碳如碳納米管、碳納米纖維、碳納米絲、碳納米角或碳納米環(huán)等。通過涂覆包括導(dǎo)電粉末、粘結(jié)劑樹脂和溶劑的組合物以形成微孔層。粘結(jié)劑樹脂可包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVdF-HFP)的共聚物、聚乙烯醇、乙酸纖維素等。溶劑可包括醇如乙醇、異丙醇、乙醇、正丙醇、丁醇、水、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺、二甲亞砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮、四氫呋喃等。根據(jù)組合物的不同粘度，涂覆工藝可以使用絲網(wǎng)印刷、噴涂、使用刮墨刀涂覆、凹版式涂覆、浸涂、絲網(wǎng)方法、著漆(painting)等進(jìn)行，但不限于此。
將聚合物電解質(zhì)膜布置在陰極和陽極之間以形成膜-電極組件。燃料電池系統(tǒng)包含至少一個(gè)電產(chǎn)生元件、燃料供給裝置和氧化劑供給裝置。
電產(chǎn)生元件包括聚合物電解質(zhì)膜、在其兩側(cè)的陰極和陽極和隔板，并且通過電化學(xué)反應(yīng)，如氫氣或燃料的氧化反應(yīng)和氧化劑的還原反應(yīng)起到產(chǎn)生電的作用。
燃料供給裝置起的作用是向電產(chǎn)生元件提供包括氫氣的燃料，氧化劑供給裝置起的作用是向電產(chǎn)生元件提供氧化劑。
圖2顯示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的簡要結(jié)構(gòu)。以下參考此附圖進(jìn)行更詳細(xì)的說明。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100包括具有至少一個(gè)可產(chǎn)生電能的電產(chǎn)生元件19的堆疊物7，提供氫氣或燃料的燃料供給裝置2，和向電產(chǎn)生元件19提供氧化劑的氧化劑供給裝置5。
此外，燃料供給裝置2裝配有貯存燃料的罐9和與其連接的泵11。
燃料泵11以預(yù)定的泵送功率提供罐9中貯存的燃料。
向堆疊物7的電產(chǎn)生元件19提供氧化劑的氧化劑供給裝置5，裝配有至少一臺泵13，以預(yù)定的泵送功率吸入氧化劑。
一些這樣的燃料電池系統(tǒng)使用泵以向電產(chǎn)生元件提供燃料和/或氧化劑，另外代替使用泵，可以用擴(kuò)散方式提供燃料和/或氧化劑，本發(fā)明不限于任何一種具體的燃料電池系統(tǒng)。
電產(chǎn)生元件19包括氧化氫氣或燃料和還原氧化劑的膜-電極組件21，以及在其兩側(cè)可提供氫氣和氧化劑的隔板23和25。
如下實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明。然而，理解本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1使用在礦物油中分散的市售納米尺寸的活化鐵粉末(Aldrich Company)。該鐵粒子的TEM照片在圖3中顯示。如圖3所示，這些粒子具有顯著的大尺寸。
在容器中將鐵粉末與四胺氯化鉑(II)水合物的水溶液進(jìn)行機(jī)械混合以制備催化劑。在混合之后，獲得的催化劑的EDX-TEM照片在圖4A中顯示。如圖4A所示，在鐵粒子周圍存在粒度為約2nm的小的鉑粒子。如圖4B所示，鉑粒子被分散。
使用該催化劑制備催化劑淤漿，并將它涂覆在碳紙上。對其照射UV(紫外線)，因此聚合物前體被固化，以制備電極。該電極用于陰極和陽極，在其間插入全氟磺酸(Nafion 112)聚合物膜，隨后進(jìn)行熱壓以獲得膜-電極組件。
將該膜-電極組件插入兩個(gè)墊片之間，然后在它的兩側(cè)分別布置具有氣體流通道和冷卻通道的兩個(gè)隔板，所述氣體流通道和冷卻通道具有預(yù)定的形狀。然后，將它在銅端板之間壓縮以制造單元電池。
實(shí)施例2將獲得催化劑混合物用1M硫酸處理以生產(chǎn)鉑黑催化劑。
獲得的鉑黑催化劑的XRD(X射線衍射)結(jié)果見圖5。此結(jié)果顯示小尺寸的鉑粒子被分散。
使用該催化劑，以實(shí)施例1中相同的方式制造單元電池。
實(shí)施例3在容器中，用機(jī)械混合將在礦物油中分散的市售納米尺寸活化鐵粉末(Aldrich Company)與四胺氯化鉑(II)水合物的水溶液進(jìn)行混合。
在機(jī)械混合之后，對根據(jù)實(shí)施例3的得到的溶液進(jìn)行TEM-EDX分析，結(jié)果見圖6。在圖7中顯示根據(jù)實(shí)施例3的得到的溶液的TEM-EDX照片。在圖7中，譜圖3～6是在測量設(shè)備從外圍部分向粒子的核移動(dòng)中獲得的。鐵與鉑的原子比如下90.9∶9.1(譜圖3)，94.9∶5.1(譜圖4)，96.0∶4.0(譜圖5)和93.6∶6.4(譜圖6)。證明當(dāng)向核趨近時(shí)鉑的原子比率降低。圖6和7的結(jié)果顯示鉑離子圍繞著鐵。
將該機(jī)械混合的溶液在900℃、氫氣氣氛下熱處理1小時(shí)以制備催化劑，在該催化劑上形成鉑-鐵合金。使用該催化劑，采用與實(shí)施例1中相同的方式制造單元電池。
在圖8中顯示該催化劑的TEM照片。從圖8，在鐵粒子周圍的模糊消失了，它的周圍變得清晰。
EDX測量結(jié)果見下表1。
表1

從表1的EDX結(jié)果，確認(rèn)鉑和鐵形成了合金。
使用XANES分析實(shí)施例3的催化劑，測量結(jié)果見圖9A和9B。為對比，也顯示Pt箔、Fe箔、Pt E-TEK、以上機(jī)械混合的溶液(pH4.5和pH6.7)和加熱的催化劑的XANES分析數(shù)據(jù)。
從XANES分析數(shù)據(jù)的d-帶空位測量結(jié)果見表2。
表2

大于0.300的d-帶空位數(shù)值顯示鐵和鉑形成了合金。圖9A和9B的XANE數(shù)據(jù)也顯示鐵和鉑形成合金。
在本發(fā)明中，不用表面活性劑可以容易地制備細(xì)微尺寸的催化劑。制備的催化劑具有高利用效率，可提供高性能燃料電池。
盡管本發(fā)明已經(jīng)連同目前認(rèn)為是實(shí)踐的示例性的實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但是應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施方案，但相反，希望覆蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種改進(jìn)和同等的布置。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的催化劑，包括過渡元素核；和表面層，該表面層包括選自由鉑、鉑-過渡元素合金、及其結(jié)合物所組成組中的至少一種，并且所述表面層存在于所述過渡元素核的表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑，其中鉑或鉑-過渡元素合金具有平均粒徑的范圍為1～5納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化劑，其中鉑或鉑-過渡元素合金具有平均粒徑的范圍為1～3納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑，其中過渡元素選自由V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Ir、W、Mo和Rh所組成的組中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑，其中包括鉑-過渡元素合金的過渡元素的量具有從催化劑的表面向所述過渡元素核降低的濃度梯度。
6.一種制備用于燃料電池的催化劑的方法，包括混合水溶性鉑溶液和非水溶性還原劑，或混合水溶性還原劑和非水溶性鉑前體；和在界面上誘導(dǎo)鉑與水溶性還原劑的還原反應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中在所述還原反應(yīng)之后進(jìn)一步進(jìn)行熱處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述非水溶性還原劑是至少一種選自由鐵、鉻、鈷、鎳、銅、鋅、釕、錳、鎢、銥、釩、鉬、銠及其混合物所組成的組中。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括在所述還原反應(yīng)之后進(jìn)行酸處理以除去過渡元素核。
10.一種膜-電極組件，包括彼此相向的陰極和陽極；和位于所述陽極和所述陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜，所述陽極和所述陰極包括催化劑，該催化劑包括催化劑層和導(dǎo)電襯底的電極支持物，和所述催化劑層包括過渡元素核和表面層，所述表面層包括選自由鉑、鉑-過渡元素合金及其結(jié)合物所組成組中的至少一種，和所述表面層存在于所述過渡元素核的表面上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的膜-電極組件，其中鉑或鉑-過渡元素合金具有平均粒徑的范圍為1～5納米。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的膜-電極組件，其中鉑或鉑-過渡元素合具有平均粒徑的范圍為1～3納米。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的膜-電極組件，其中過渡元素選自由V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Ir、W、Mo和Rh所組成的組中。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的膜-電極組件，其中包括鉑-過渡元素合金的過渡元素的量具有從催化劑表面向核降低的濃度梯度。
15.一種燃料電池系統(tǒng)，包括至少一個(gè)電產(chǎn)生元件，該元件通過氫氣或燃料的氧化和氧化劑的還原產(chǎn)生電；用于向所述電產(chǎn)生元件提供氫氣或燃料的燃料供給裝置；和用于向所述電產(chǎn)生元件提供氧化劑的氧化劑供給裝置，所述電產(chǎn)生元件包括膜-電極組件和布置在所述膜-電極組件兩側(cè)的隔板，所述膜-電極組件包括彼此相向的陰極和陽極，和布置在所述陽極和所述陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜，所述陽極和所述陰極包括催化劑，該催化劑包括催化劑層，和導(dǎo)電襯底的電極支持物，和所述催化劑層包括過渡元素核，和表面層，所述表面層包括選自由鉑、鉑-過渡元素合金、及其結(jié)合物所組成組中的至少一種，所述表面層存在于所述過渡元素核的表面上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中鉑或鉑-過渡元素合金具有平均粒徑的范圍為1～5納米。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中鉑或鉑-過渡元素合金具有平均粒徑的范圍為1～3納米。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中過渡元素選自由V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Ir、W、Mo和Rh所組成的組中。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中包括鉑-過渡元素合金的過渡元素的量具有從催化劑的表面向核降低的濃度梯度。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中鉑或鉑-過渡元素合金具有平均粒徑的范圍為1～3納米，并且用于所述陰極的催化劑包括鉑和至少一種選自由V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn及其結(jié)合物所組成的組中，和用于所述陽極的催化劑包括選自由Ru、Ir、W、Mo、Rh及其結(jié)合物所組成組中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明包括用于燃料電池的催化劑，該催化劑含有過渡元素核，和表面層，該表面層含有選自如下組中的至少一種鉑、鉑－過渡元素合金、及其結(jié)合物，并且該表面層存在于該核的表面上。不用表面活性劑而制備該催化劑。
文檔編號H01M4/86GK1783559SQ200510116979
公開日2006年6月7日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者閔明基, 樸贊熙, 金惠雅, 郭燦, 權(quán)鎬真, 金夏奭 申請人:三星Sdi株式會社, 金夏奭