Катодный катализатор с пониженным содержанием платины для электрода топливного элемента

Изобретение относится к области катодных катализаторов с низким содержанием платины для спиртовых ТЭ. Согласно изобретению катодный катализатор с пониженным содержанием платины для электрода ТЭ включает пористый углеродный носитель и платинокобальтовый сплав, а суммарное содержание платины и кобальта в катализаторе составляет 9.5÷15.0 мас.%. Платинокобальтовый сплав характеризуется общей эмпирической формулой Pt_aCo_b, где а от 0,5 до 0,7; b от 0,3 до 0,5; а+b=1. В качестве углеродного носителя может использоваться сажа Vulcan XC72 или ацетиленовая сажа АД 100. Кобальт в платинокобальтовом сплаве внедрен в решетку платины. Отношение содержания кобальта к содержанию платины на поверхности частиц катализатора составляет 0,4÷0,5, при этом, частицы катализатора имеют средний размер от 3 до 5,0 нм. Техническим результатом является высокая электрокаталитическая активность стабильность и оптимальная структура катодного платинокобальтового катализатора. 6 з.п. ф-лы.

 

Область техники

Изобретение относится к области топливных элементов (ТЭ), в частности к платинокобальтовым катализаторам с пониженным содержанием платины для катодов ТЭ.

Предшествующий уровень техники

Известен платинокобальтовый катализатор для катода ТЭ, выполненный в виде сплава, содержащего около 20% кобальта и платину до 100% (патент США, № 3440103, кл. H01M 27/00, 1969).

Недостатком указанного катализатора является его высокая стоимость из-за большого содержания платины в сплаве.

Из известных катодных платинокобальтовых катализаторов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является катодный платинокобальтовый катализатор для ТЭ с полимерным электролитом, выполненный в виде платинокобальтового сплава на углеродном носителе, при этом мольное отношение содержания платины и кобальта в сплаве составляет от 6:1 до 3:2 (Заявка Японии №2003142112, кл. Н01М 4/92, 2003).

Недостатком этого известного катализатора является высокая стоимость из-за большого содержания платины в сплаве.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание катодного платинокобальтового катализатора с низким содержанием платины, обладающего высокой электрокаталитической активностью, стабильностью и оптимальной структурой.

Указанный технический результат достигается тем, что катодный катализатор с пониженным содержанием платины для катода ТЭ включает углеродный носитель и платинокобальтовый сплав, при этом платинокобальтовый сплав характеризуется общей эмпирической формулой Pt_aCo_b, где а от 0,5 до 0,7; b от 0,3 до 0,5; а+b=1.

Указанная структура является оптимальной с точки зрения стабильности и электрокаталитической активности катализатора.

Целесообразно, чтобы содержание платинокобальтового сплава в катализаторе составляло 9,5÷15,0 мас.%. Указанное содержание платинокобальтового сплава в катализаторе является оптимальным как с точки зрения стоимости, активности, так и коррозионной стабильности катализатора.

Целесообразно, чтобы в качестве углеродного носителя использовались сажа Vulcan XC72 либо ацетиленовая сажа АД100. Указанные углеродные носители обладают высокой удельной поверхностью (200-250 м²/г) и широкой доступностью.

Целесообразно, чтобы полученный катализатор представлял собой сплавы(твердые растворы) за счет внедрения кобальта в решетку платины, при этом отношение содержания кобальта на поверхности частиц катализатора к содержанию платины составляло 0,4÷0,5, а содержание кобальта на поверхности частиц катализатора выше, чем в объеме.

Целесообразно, чтобы средний размер частиц катализатора составлял от 3 до 5,0 нм. Катализатор с указанными соотношениями содержания кобальта и платины в частицах и размером частиц катализатора обладает стабильными характеристиками и высокой активностью.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется примером практической реализации катализатора и его использованием на катоде водородо-воздушного ТЭ.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Пример реализации. Согласно изобретению платинокобальтовый катализатор был синтезирован путем совместного пиролиза при 900°С в инертной атмосфере тетра(п-метоксифенил)порфирина кобальта (ТМФПСо) и хлорплатината (Н₂PtCl₆). Как показали исследования структуры катализатора методами рентгеновской спектроскопии и рентгеновского фазового анализа, полученный катализатор включал фазы со структурой PtCo и Pt₃Со с размером частиц 4 нм. Масса нанесенной платины составляла 7,3 мас.% по отношению к носителю ХС72. Катализатор в количестве 0,5 мг/см² наносили на гидрофобизированную бумагу Toray (торговая марка) методом напыления коллоидной смеси катализатора с 30 мас.% Нафиона. Анод изготавливали аналогичным методом, при этом в качестве катализатора использовали платину на носителе ХС72 с содержанием платины 20 мас.%. Количество наносимого катализатора составляло 2,5 мг/см². После высушивания электроды напрессовывали на полимерную мембрану Nafion при температуре 135°С и давлении 150 кг/см² в течение 3 мин. Полученный мембранно-электродный блок испытывали в составе макета водородо-воздушного ТЭ с площадью электродов 5 см². Испытания ТЭ проводили при температуре 80°С. ТЭ с заявленным катодным катализатором показал высокие стабильные характеристики. Максимальная мощность, полученная в данном ТЭ без специальной оптимизации мембранно-электродного блока, составила 410 мВт/см². На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный катализатор может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию "промышленная применимостью".

1. Катодный катализатор с пониженным содержанием платины для электрода топливного элемента, включающий пористый углеродный носитель и платинокобальтовый сплав, а суммарное содержание платины и кобальта в катализаторе составляет 9,5÷15,0 мас.%.

2. Катодный катализатор по п.1, отличающийся тем, что платинокобальтовый сплав характеризуется общей эмпирической формулой Pt_aCo_b, где а от 0,5 до 0,7; b от 0,3 до 0,5; a+b=1.

3. Катодный катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродного носителя используется сажа Vulcan XC72.

4. Катодный катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродного носителя используется сажа АД 100.

5. Катодный катализатор по п.1, отличающийся тем, что кобальт в платинокобальтовом сплаве внедрен в решетку платины, при этом содержание кобальта на поверхности частиц катализатора выше, чем в объеме.

6. Катодный катализатор по п.5, отличающийся тем, что отношение содержания кобальта к содержанию платины на поверхности частиц катализатора составляет 0,4÷0,5.

7. Катодный катализатор по п.1, отличающийся тем, что средний размер частиц катализатора составляет от 3 до 5,0 нм.