用於燃料電池的負載的催化劑材料、其製造方法以及具有此類催化劑材料的電極結構與流程

2023-05-17 21:41:56 1

本發明涉及用於燃料電池的碳-負載的催化劑材料以及具有此類催化劑材料的電極結構和燃料電池。本發明此外涉及製造該負載的催化劑材料的方法。

背景技術：

燃料電池利用燃料與氧氣生成水的化學反應以產生電能。為此，燃料電池含有所謂的膜-電極-組件（mea）作為核心部件，其是由離子傳導（大多為質子傳導）膜和各一個設置在該膜兩側面上的催化電極（陽極和陰極）形成的結構。該催化電極大多包含負載的貴金屬，特別是鉑。此外，氣體擴散層（gdl）可以在該膜-電極-組件的兩側設置在這些電極的背離該膜的側面上。通常，燃料電池由多個以堆疊體形式設置且其電功率相加的mea形成。在各個膜-電極-組件之間通常設置雙極板（也稱為流場板或隔板），其確保為單電池提供運行介質，即反應物並通常還用於冷卻。此外，這些雙極板負責與膜-電極-組件的導電接觸。

在燃料電池運行中，燃料（陽極運行介質），特別是氫氣h2或含氫氣的氣體混合物經由雙極板的陽極側敞開的流場供給陽極，在此處由h2電化學氧化生成質子h+並放出電子（h22h++2e–）。通過將反應空間氣密性彼此分隔並電絕緣的電解質或膜，實現從陽極空間至陰極空間中的（水結合或無水）的質子傳輸。在陽極上提供的電子通過電導線供給陰極。經由雙極板的陰極側敞開的流場為陰極供應氧氣或含氧氣的氣體混合物（例如空氣）作為陰極運行介質，以使得由o2還原生成o2-並吸收電子（½o2+2e–o2-）。同時，在陰極空間中，氧陰離子與經膜傳輸的質子反應並形成水（o2-+2h+h2o）。

在燃料電池中，通常鉑充當用於燃料電池反應的催化劑。因為這涉及電化學表面工藝，力求儘可能大的催化表面積（ecsa）。為此，將若干納米數量級的鉑粒子施加到具有大表面積的碳載體上。此外，通過其它元素（尤其鈷和鎳）的加合金提高該催化劑的活性，以能確保更高的燃料通過量和因此高的電功率。但是，在燃料電池運行過程中，由於電極退化損失一部分電功率。對此的原因尤其是由於（不利的）運行條件的ecsa和活性損失。所基於的機理尤其包括鉑的溶解（鉑腐蝕）、合金元素鈷或鎳的腐蝕、鉑納米粒子由於奧斯瓦爾德熟化的生長、鉑納米粒子由於在碳表面上的遷移和燒結的生長、鉑粒子從碳載體上的脫離。

為了抵抗催化活性的損失並能因此確保燃料電池運行時間內的功率要求，通常在製造電極時使用額外量的貴金屬。但是，這一措施相當耗費成本。為了實現燃料電池中的鉑量的持續降低，必須一方面改進鉑粒子或鉑合金粒子的耐腐蝕性並另一方面改進其在碳表面上的粘附。

就這點而言已知的是，通過將其它元素混入貴金屬合金中降低貴金屬的絕對量。作為有利的附加效應，這樣的合金催化劑甚至具有比純鉑更高的起始活性（生命原始活性或bol活性）。但是，由於這些元素的相比於鉑較不貴重的特性，這樣的催化劑更易被腐蝕並因此必須經受特殊預處理。在此，最常見的方法是（電）化學脫混（去合金化），其中將合金的非貴成分從催化劑表面上溶解出來，以使得在該合金上留下由鉑製成的保護殼。儘管如此，合金催化劑不解決持久穩定性的基本問題，而是甚至惡化這一點。貴金屬合金並不持久穩定，也就是說，合金成分隨時間損失。通過化學脫混的工藝，僅僅延緩這一過程。對此的原因是合金至表面的較不貴成分的擴散能力，也就是說，由於從粒子內部向外的濃度落差，較不貴金屬原子擴散到表面上並最終溶解出去。此外，繼續存在鉑腐蝕的原則問題。此外，貴金屬粒子和碳-載體表面之間的僅僅基於物理結合的粘附大多不夠。

此外，在研發中追求有針對性地製造具有核-殼-結構的納米粒子的方法。在此，在較廉價的核材料上產生貴金屬極薄層並因此明顯降低貴金屬量。通常，通過使由均勻貴金屬合金製成的粒子如上所述經受（電）化學脫混而產生貴金屬層，由此在粒子表面上分離出但是大多不連續的貴金屬層。但是還已知如下方法，其中貴金屬薄層在成本較有利的較不貴的體積材料上的沉積例如從氣相中或通過溼化學方式進行。

de69824875t2描述了在載體薄膜上產生由有機顏料製成的非導電且納米結構化的載體結構。這種載體結構藉助物理或化學氣相沉積（pvd、cvd）塗覆，以產生納米結構化的催化劑元素，其隨後通過壓制操作直接轉移到燃料電池的聚合物電解質膜上。在此，該催化劑元素由於不同材料的相繼沉積而在其表面上和在其內部體積中具有不同組成。

us2006/0183633a1描述了用於直接甲醇-燃料電池（dmfc）的陽極的催化劑結構。其包含由al、ti、tin、w、mo或hf製成的載體材料，藉助物理或化學氣相沉積而在其上沉積由金屬碳化物如wc、moc或tac製成的局部凸起（納米點），並在該凸起上沉積催化粒子。這些凸起以及催化粒子均由金屬碳化物如wc、moc或tac構成並可以任選配備有由碳納米角（cnh）製成的塗層。

所述催化粒子通常存在於具有大的比表面積的導電載體材料上，其通常是顆粒狀碳基材料，例如碳納米管（cnt）等。這些催化粒子在載體材料上的沉積通常通過溼化學方法使用催化金屬的金屬有機前體化合物實現（例如us8,283,275b2）。此外，還已知催化貴金屬粒子從氣相中沉積在碳載體上（例如us7,303,834b2）。隨後，將如此負載的催化劑與離子交聯聚合物混合併以糊料或懸浮體的形式作為塗層施加到碳紙上、直接施加到聚合物電解質膜上或施加到氣體擴散層上，並且使其乾燥。

技術實現要素：

本發明如今的目的在於，提供用於燃料電池的催化劑材料，其確保長的使用壽命並同時通過少量貴金屬就夠用。還應提供具有此類催化劑材料的相應的電極結構以及燃料電池。

這一目的通過具有獨立權利要求的特徵的負載的催化劑材料、電極結構、燃料電池以及製造該催化劑材料的方法實現。本發明的優選實施方案來自在從屬權利要求中提及的其餘特徵和以下說明書。

根據本發明的用於燃料電池的負載的催化劑材料包含多孔且導電的碳基載體材料以及沉積或生長在該載體材料上的催化結構。該催化結構具有從內向外至少包含下列成分的多層結構：

–包含導電的體積材料的核心層，其中該體積材料設置為與所述碳基載體材料直接接觸，和

–包含催化活性貴金屬或其合金的表面層。

通過使該核心層的體積材料直接沉積或生長在碳基載體材料上，該體積材料與該載體材料之間具有通過物質的原子或分子間作用力（stoffschlüssig）的結合。與根據現有技術的具有核-殼-結構的球形粒子的持續吸附不同，本發明的催化劑材料因此確保在載體材料上的非常穩定和持久的粘附。因此，該體積材料一方面具有確保貴金屬在載體材料上的穩定結合的任務，另一方面具有構成用於催化貴金屬的大表面積的任務，其中這種增大表面積的結構的內部體積通過成本相對有利的材料構成。

在本發明中，術語「催化結構」被理解為是指在碳基載體材料上成型（生長、沉積）並在該載體材料上基本上不連續，即彼此分隔設置的形成物。因此，在相鄰的催化結構之間可存在空隙，載體材料在這些空隙中是裸露的。所述催化結構在此可以具有任意形狀，例如近似球局部，特別是半球的形狀。但是應理解的是，這些結構通常不具有球表面理想形狀，並特別是由體積材料的晶體結構決定。不依賴於其幾何形狀，該催化結構具有一種核-殼-結構，更確切地說是「切開的」核-殼-結構，其中「切割面」設置在載體材料上並與其接觸。

如已提到的，形成核心層的體積材料的主要任務是確保貴金屬或其合金在載體材料上的穩定粘附並同時由相對廉價的材料替代催化結構內部的貴金屬。為了在催化活性貴金屬上催化發生的燃料電池反應的過程中能夠吸收和/或釋放電子，該核心層的體積材料還應具有良好的導電性。該體積材料還應具有高的化學、熱和機械持久穩定性並與貴金屬相比是儘可能廉價的。為了實現在碳載體上的良好結合，還有利的是體積材料的合適的晶格，即與所述碳材料類似的晶體結構和類似的晶格常數。為了此外實現表面層（或可能位於之間的層）的穩定結合，還希望的是高的表面能和與該表面層相容的晶格結構，其中在此優選的是所述體積材料的晶格常數最高對應於表面層，特別是鉑的晶格常數。通過選擇具有稍較小晶格常數的體積材料晶格實現貴金屬晶格收縮，通過由此造成的晶格變形效應以及通過這些晶格之間的量子力學相互作用實現提高的活性以及貴金屬的特別密的球狀堆積。總體上，由表面能、晶格之間的對稱性和晶格參數的良好匹配以及界面上的結合狀態（d-帶中心的位移）決定粘附。滿足這些標準的合適的材料包括金屬的二元、三元、四元或更高級的氮化物、碳化物、硼化物和氧化物以及它們的組合和混合物。其中氮化物和碳化物特別優選。它們的組合物被理解為是指混合化合物，如碳氮化物、氧氮化物、碳硼化物等。此外，組合還包括具有兩種或更多種不同金屬的化合物。該體積材料因此還包括三元（mmm'm'yy）、四元（mmm'm'yyzz）和更高級的組成，其中m和m'各自表示金屬，y和z各自表示n、c、b或o，且m、m'、y和z得自這些組分的氧化值及其摩爾含量（對於三元氮化物例如m(1-m')m'm'n）。這些化合物中的相應金屬特別根據晶格常數來選擇。在鉑作為貴金屬的情況下優選的體積材料的實例是氮化鈦tin。

在本發明的實施方案中，核心層的體積材料至少點狀共價或通過物質的原子或分子間的作用力結合到碳基載體材料上。以此方式，催化結構不僅通過物理粘附力結合到載體材料的碳上，而且還通過明顯更穩定的化學相互作用或化學鍵。這可以特別地通過在製造催化劑材料的過程中在載體材料上產生錨固點來實現，這在下文中更詳細闡述。

所述核心層的體積材料充滿催化結構的主要體積。根據本發明的實施方案，該核心層在其最厚的位置上具有2至100nm，特別是3至80nm，優選4至50nm，特別優選5至20nm的層厚度。

相反，催化活性貴金屬或其合金的表面層的層厚度應選擇為儘可能薄。特別地，該表面層具有平均1至6個原子層，優選1至4個原子層和特別優選平均1至2個原子層的層厚度。作為該催化表面層的貴金屬，特別可以考慮鉑族的金屬，包括釕ru、銠rh、鈀pd、鋨os、銥ir和鉑pt或這些金屬的合金。特別地，該表面層包含鉑或鉑合金，優選基本上純的鉑。

根據本發明的一個實施方案，在核心層和表面層之間設置附著力增強劑層。選擇用於該附著力增強劑層的材料，以使得具有儘可能高的表面能和儘可能高的與催化層的相容性。以此方式，還進一步提高催化表面層的粘附。作為用於該附著力增強劑層的材料，特別可以考慮由半導體技術已知的相應材料，例如鎢w。該附著力增強劑層具有儘可能小的層厚度，其中對於表面層所示的層厚度也適用於該附著力增強劑層。

此外，根據本發明的一個優選實施方案，在核心層和表面層之間或在附著力增強劑層和表面層之間設置包含貴金屬合金的中間層。該中間層的貴金屬合金特別是設置在表面層中的貴金屬的合金。在鉑作為表面材料的情況下，合適的貴金屬合金包括例如鉑-鎳-合金和鉑-鈷-合金。通過將其它金屬對該貴金屬的加合金，實現催化活性的提高。應選擇這些合金元素，以使得它們與該貴合金建立特別強的鍵，也就是說具有高的熱力學穩定性，從而降低合金元素原子的擴散能力並因此以動力學方式抑制腐蝕。

所述中間層的厚度有利地為2至20個原子層，特別是3至10個原子層，特別優選4至6個原子層。

根據本發明的一個實施方案，表面層的晶體邊緣和/或晶體角被局部的保護層覆蓋。在此，優選至少催化結構的表面層，特別還有在其下方的層以半結晶或結晶形式存在。如已知的，表面層的催化貴金屬的腐蝕就從晶體邊緣處開始。通過該局部的保護層，可以保護該晶體邊緣免受腐蝕性侵蝕。因為該晶體邊緣由於其高反應性不釋放或僅減少地釋放催化反應的產物並因此有效地不參與催化反應，通過該晶體邊緣和晶體角的阻隔因此導致對催化活性沒有損害或可忽略的損害。另一方面，該晶體邊緣和晶體角的高反應性實現保護層在這些位置處的選擇性施加，而不大面積地佔用催化劑。可考慮用作這些邊緣和角的保護層的材料應具有高的腐蝕穩定性。該保護層的材料的合適實例包括氧化物，例如氧化鋁al2o3、氧化硼b2o3、氧化矽sio2；碳化物，例如碳化硼b4c、碳化矽sic、碳化鎢wc；氮化物，例如氮化硼bn、氮化鋁aln、氮化矽si3n4、氮化鈦tin；和金。但是，這些材料不必是良好電導體。

所述碳基載體材料的主要任務是，為所施加的催化結構構成大比表面積並此外建立該材料的催化中心和燃料電池的外部電路之間的電連接。優選地，該碳基載體材料具有多孔、顆粒狀，即鬆散堆積（schüttfähig）的結構。這特別是包括基本上球體的形狀或纖維。合適和材料特別地包括碳納米結構，例如碳納米管、碳納米角、碳納米纖維、碳納米帶；以及石墨、火山灰（vulkan）、石墨化碳、石墨烯、科琴黑、乙炔黑、爐黑、炭黑、活性炭和中間相碳（mesophasen-kohlenstoff）。

本發明的另一方面涉及用於燃料電池的電極結構，其包括扁平載體和設置在該載體的兩個扁平側面的至少一個上的催化塗層，該催化塗層包含根據本發明的負載的催化劑材料。在此，該扁平載體例如是用於燃料電池的聚合物電解質膜。在這種情況中，也稱為催化塗覆膜（ccm）。替代地，該扁平載體可以是透氣的導電基底，例如氣體擴散層（gdl），或燃料電池的另一載體層，例如碳紙等。在催化塗覆的氣體擴散層的情況中，也稱為氣體擴散電極。

所述電極結構可通過將催化劑材料直接堆疊到扁平載體上製造。為此目的，製造包含所述催化劑材料、溶劑和任選其它添加物如粘合劑等的懸浮體或糊料，並通過任意方法堆疊到扁平載體上並乾燥。

本發明的另一方面涉及具有聚合物電解質膜和各一個設置在該聚合物電解質膜的扁平側面上的層的燃料電池，所述層的至少之一包含本發明的負載的催化劑材料。

本發明的另一方面涉及製造根據本發明的催化劑材料的方法。該方法包括下列步驟：

–提供碳基載體材料；

–在載體材料上產生錨固點，其選自具有雜質材料的摻雜物、官能團、電荷、自由電子對和晶格缺陷；

–將導電的體積材料從氣相中沉積到錨固點上和周圍並直接沉積在碳基載體材料上，以形成核心層；和

–將包含催化活性貴金屬或其合金的層沉積到核心層上。

通過在載體材料上產生錨固點，因此在其上形成「晶種」，該晶種充當沉積體積材料的起始點。以此方式導致在載體材料上局部地產生催化結構，其特別是可以被構成為不連續的，即中斷的（而不是連續的層）。這些錨固點在這種情況中因此不僅充當用於催化結構生長的晶種，而且用於該結構的空間分隔（分散）。

優選地，所述錨固點是載體材料的碳的具有雜質材料的摻雜物，即摻雜材料。在此，碳晶格的各個碳原子被該摻雜材料替換或該摻雜材料的原子以嵌入化合物的方式嵌入在間隙位置處。例如適合作為摻雜材料的是氫、氧、氮、鋁或硼，以在碳表面上獲得這樣的錨固點。它們可以通過用合適的化學試劑處理或合適的等離子體處理來產生。在一些情況下，這些方法也適合於將化學官能團共價結合到所述碳表面上。例如，通過氧化酸例如硫酸和/或硝酸的作用、或藉助通過氧等離子體的處理、或其組合來產生氧摻雜或氧官能團例如羧基或羰基官能。對於用氮的官能化，可考慮使用相應反應性的氣體例如氨、肼等，和/或氮-前體化合物例如苯胺，或用氮等離子體處理。在此，還可以生成含氮的官能團，例如胺基團、亞胺基團、醯胺基團等。可以藉助無機或有機的硼化合物引入硼摻雜物或硼官能團。如果所述錨固點是與後續沉積的體積材料進行化學反應的類型的，則導致體積材料的點狀共價結合。

後續施加的催化結構的所有層（見上）可以並優選藉助氣相沉積施加到載體材料上。與傳統溼化學法不同，氣相沉積法可以精確控制所產生的層的材料組成、層厚度和結晶度。由於碳載體的大表面積和多孔性，特別是發生化學氣相沉積法，如cvd（化學氣相沉積）或ald（原子雷射沉積）、物理氣相沉積法（pvd）、雷射沉積法（pld）等。

只要在各個情況中不另外說明，本申請中提到的本發明的各種實施方案可以有利地相互組合。

下面以實施例藉助所屬附圖闡述本發明。

附圖說明

圖1a-g顯示了製造根據本發明的一個實施方案的負載的催化劑材料的方法步驟；

圖2顯示了根據本發明的實施方案的負載的催化劑材料的催化結構的示意性俯視圖，其中在表面層的晶體角上(a)和在晶體邊緣上(b)具有保護層；和

圖3顯示了具有本發明的催化劑材料的燃料電池的截面圖。

具體實施方式

圖1以極度示意性的方式顯示了藉助各種中間產物製造用於燃料電池的催化劑材料的本發明方法。

該方法根據圖1a以提供碳基載體材料21開始。在此僅示出顆粒狀材料21的表面局部。例如，該載體材料可以是碳納米結構，例如碳納米管、碳納米角、碳納米纖維、碳納米帶；以及石墨、火山灰、石墨化碳、石墨烯、科琴黑、乙炔黑、爐黑、炭黑、活性炭和中間相碳。

碳基載體材料21根據圖1b經受表面處理，以在碳表面上產生局部的錨固點22，其在後續步驟中充當體積材料的接入點（andockstelle）。錨固點22優選是碳被雜質材料的摻雜，該雜質材料作為雜質原子引入碳材料的晶格中替換碳原子或作為嵌入物引入間隙位置中。優選地，用氫、氧、氮和/或硼進行摻雜。為了引入這些雜質原子，藉助合適的反應劑或合適的方法進行碳載體材料21的處理。在氧官能性的情況下，可以用氧化酸，例如高濃度的硫酸和/或硝酸進行處理，以及補充地或替代地藉助氧等離子體進行處理。用氮的官能化可以藉助前體化合物例如苯胺或使用反應性氣體例如氨、肼等進行。用硼的官能化可以藉助無機或有機的硼化合物進行。在這種預處理後，可以進行調溫，以輔助摻雜元素擴散到石墨結構中或碳晶格中或者輔助形成官能團例如羧基、羰基、胺基團、亞胺基團或醯胺基團。

在隨後的步驟中，圖1c將導電的體積材料從氣相中直接沉積到碳基載體材料上並形成不連續的核心層23，例如以半球的形式。在此，錨固點22一方面充當沉積和層構造過程的晶種點或起始點，另一方面確保形成體積材料在載體材料上的穩定，特別是化學的結合，即在後者上的定位和固定。由此還可以特別地實現，使生成的結構在空間上彼此分隔地存在於碳載體21上並不由於燒結過程而生長在一起。特別是金屬氮化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬氧化物及其組合和混合物充當用於核心層23的體積材料。優選地，金屬氮化物例如氮化鈦，或金屬碳化物作為用於核心層23的體積材料。這種「錨固材料」在預調理的碳表面上的沉積藉助化學或物理氣相沉積法，例如cvd、ald、pvd、pld等進行。在此，在化學氣相沉積法的情況中使用體積材料的合適的反應性前體（前體），或在物理氣相沉積法的情況中使用直接由待沉積的體積材料構成的靶。所述起始材料藉助合適的技術轉移到氣相中並傳輸到真空室中，在其中將載體材料21設置為基底。在錨固點22處開始，然後開始在載體材料21上沉積該材料。體積材料的相應金屬例如鈦例如以金屬有機化合物形式的反應性前體的形式蒸發並傳輸到真空室中。同時，將用於產生相應氮化物、碳化物、硼化物或氧化物的氮源、碳源、硼源或氧源或用於混合化合物的這些源的組合轉移到氣相中並同樣傳輸到真空室中。在此，進行在通常加熱的載體材料上的沉積並導致這些前體化合物反應生成相應的體積材料。層厚度通過反應物的濃度、氣體體積流量以及工藝時間進行控制並優選為5至20nm。任選地，可以在隨後的調溫步驟中輔助體積材料的結晶。

在任選隨後的根據圖1d的工藝步驟中，施加附著力增強劑層24，其例如由鎢w製成，為此同樣使用化學或物理氣相沉積法。附著力增強劑層24優選具有1至2個原子層的平均層厚度。

隨後，根據圖1e施加中間層25，為此同樣使用化學或物理氣相沉積法。中間層25是起催化作用的貴金屬的合金，例如鉑和/或鈀與至少一種合金元素的合金，選擇該合金元素以使得所形成的合金具有儘可能高的熱力學穩定性。合適的合金元素的實例是鎳和/或鈷。優選地，在此使用化學氣相沉積法，例如cvd或ald，其中使用相應金屬的合適的反應性前體化合物。這些反應性前體特別是各自元素的金屬有機化合物。作為金屬有機化合物，可以考慮例如烷基化物、烯基化物或醇鹽。在鉑的情況中，例如使用三甲基(甲基環戊二烯基)鉑。為了使所述一種金屬或多種金屬呈金屬形式，即以零的氧化態沉積，向真空室中的氣體氣氛或載氣中加入具有足夠還原潛能的合適還原劑，例如氫氣或氫氣-氮氣-混合物。結果是生成由相應的貴金屬合金製成並具有4至6個原子層的優選平均層厚度的中間層25。

在隨後的根據圖1f的步驟中，由催化活性貴金屬，特別是鉑、鈀或兩者的合金沉積表面層26。這一沉積也可以從氣相中藉助物理，但優選化學的氣相沉積法進行。該操作對應於如上所述的中間層25的沉積。表面層26的層厚度優選為僅1至2個原子層。

代替藉助氣相沉積的表面層26的單獨沉積，表面層26可以通過中間層25的化學或（電）化學脫混（去合金化）實現。在此，將合金的較不貴成分從中間層25以化學或電化學方式溶解出來，以使得在表面上僅留下由貴金屬（鉑和/或鈀）製成的殼。但是，因為這樣的脫混過程的結果通常不提供連續的，而是中斷的貴金屬層，優選的是用於產生催化貴金屬表面層26的單獨的氣相沉積法。

在每個單獨的沉積步驟後，可以任選地進行調溫步驟，以促進所沉積的層的結晶。

在進一步的任選的工藝步驟中，根據圖1g在催化貴金屬的結晶或半結晶的表面層26的角和/或邊緣上產生局部的保護層27。在此也使用氣相沉積法，特別是化學氣相沉積法例如cvd或ald。作為用於保護層27的材料，使用具有高腐蝕穩定性的材料，包括氧化物（例如al2o3、b2o3、sio2）、碳化物（例如b4c、sic、wc）、氮化物（例如bn、aln、si3n4、tin）或金（au）。因為晶體角和晶體邊緣起結晶晶種的作用，這種保護材料的有針對性的沉積在這些位置處容易可行。

圖1g顯示了成品的根據本發明的催化劑材料20，其中右邊部分詳細顯示了結構構造。施加的所有層23、24、25、26和27因此藉助氣相沉積法製造。通過錨固點22的輔助進行催化結構28的構造，以使得其彼此分隔地產生在碳載體材料21上。取決於錨固點22的性質，在此產生核心層23的體積材料在載體21的碳材料上的共價結合，但是至少產生通過物質的原子或分子間作用力的結合。如此產生的催化結構28具有含核-殼-結構的半粒子的形狀，其中核心層23的材料具有與載體21的碳材料的通過物質的原子或分子間作用力的直接接觸。如此獲得的催化劑材料20在對表面層26的催化貴金屬的相對小需求的情況下展現出非常高的化學和機械穩定性。

圖2顯示了配備有局部的保護層27的根據本發明的催化結構元件28的示意性俯視圖。根據圖2a，僅晶體角配備有這樣的「邊緣保護」，而根據圖2b，晶體邊緣具有保護層27。

為了製造用於燃料電池的電極，首先由根據本發明的催化材料20製造組合物（懸浮體、糊料等），其除了催化材料20外可以含有溶劑和其它添加物，特別是聚合物粘合劑。然後將這種組合物作為塗層施加到扁平載體上，對此可以使用任意塗覆法，例如抹塗、噴塗、刮塗、印刷等。所述扁平載體特別是燃料電池的聚合物電解質膜，其優選在兩側面上用該催化材料塗覆。替代地，該催化塗層也可以施加到氣體擴散層上或另一透氣的導電基底例如碳紙上。

圖3以示意性截面圖顯示了這樣的燃料電池10的構造。燃料電池10的核心部件是總體上用14標示的膜-電極-組件（mea）。mea14包括聚合物電解質膜11、兩個設置在其扁平側面上的催化電極或催化塗層，即陽極12a和陰極12k，以及兩個設置在其兩側面上的氣體擴散層13。聚合物電解質膜11是離子傳導的，特別是質子傳導的聚合物，例如以商品名nafion®銷售的產品。催化電極12a、12k包含根據本發明的催化材料並在所示實例中作為膜11的兩側面的塗層製造。氣體擴散層13由透氣的導電材料構成，其例如具有泡沫結構或纖維結構等並將反應氣體分散到電極12a和12k上。在膜-電極-組件14的兩側面上接著雙極板15，即陽極板15a和陰極板15k。

通常，多個這樣的單電池10堆疊成燃料電池堆疊體，以使得每個雙極板由陽極板15a和陰極板15k組成。雙極板15a、15k各自包括反應物通道16的結構，其在氣體擴散層13的方向上構成為敞開的並用於將反應物供應和分散到燃料電池。例如，通過陽極板15a的反應物通道16供應燃料，在此為氫氣h2，並通過陰極板15k的相應通道16供應氧氣o2或含氧氣的氣體混合物，特別是空氣。雙極板15a、15k通過外部電路18相互連接，並與耗電體19例如電動車的牽引發動機或電池組相連。

在燃料電池10的運行中，通過陽極板15a的反應物通道16供應氫氣，通過陽極側的氣體擴散層13分散並供應到催化陽極12a。在此，氫氣h2催化解離和氧化生成質子h+並釋放電子，其通過電路18輸出。另一方面，通過陰極板15k將氧氣通過陰極側的氣體擴散層13傳導至催化陰極12k。同時，陽極側形成的質子h+以陰極12k的方向擴散通過聚合物電解質膜11。在此，供應的空氣氧氣在催化貴金屬處通過吸收經外部電路18供應的電子與質子反應生成水，其與反應氣體從燃料電池10輸出。通過如此產生的電流，可以供應耗電體19。

根據本發明的催化劑材料20可以用於燃料電池的陽極12a和/或陰極12k。配備有本發明的催化材料20的燃料電池10的特徵在於，催化電極12a、12k具有小的腐蝕傾向和因此高的持久穩定性。同時，需要相對少的催化貴金屬，因為電極的催化材料的主要體積由成本相對有利的材料形成。

附圖標記列表

10燃料電池

11聚合物電解質膜

12催化電極

12a陽極

12k陰極

13氣體擴散層

14膜-電極-組件

15雙極板

15a陽極板

15k陰極板

16反應物通道

17冷卻劑通道

18電路

19耗電體/電負載

20催化劑材料

21碳基載體材料

22錨固點

23核心層

24附著力增強劑層

25中間層

26催化表面層

27保護層

28催化結構。