DE69307534T2

DE69307534T2 - Katalysator aus Platinum-Rhodium-Eisen

Info

Publication number: DE69307534T2
Application number: DE69307534T
Authority: DE
Inventors: Karen Deluca; Francis Luczak
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2013-10-21
Also published as: EP0665985B1; EP0665985A1; DK0665985T3; JP3978470B2; WO1994010715A1; CA2147638A1; DE69307534D1; ES2096339T3; JPH08504662A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysator und insbesondere einen Platin-Rhodium-Eisen-Brennstoffzellen-Katalysator.

Hintergrund der Erfindung

Brennstoffzellen erzeugen durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brennstoff wie Wasserstoff und einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff niedervoltige Gleichstrom-Elektrizität. Diese Brennstoffzellen enthalten eine katalytische Anode und Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten. Die Zuführung von Wasserstoff zu der Anode verursacht die Reduktion des Wasserstoffs zu Wasserstoffionen und freien Elektronen. Diese freien Elektronen kommen durch eine externe Last zu der Kathode, wodurch sie Elektrizität erzeugen. Währenddessen wandern die Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zu der Kathode, wo sie mit den freien Elektronen und Sauerstoff unter Bildung von Wasser reagieren.
Zur Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit sowohl an der Anode als auch an der Kathode wurden verschiedene Katalysatoren entwickelt. Diese Katalysatoren reichen von reinen Edelmetall-Katalysatoren wie Iridium, Quecksilber, Osmium, Rhenium, Ruthenium, Palladium, Platin und Silber zu Katalysatoren aus binären Legierungen und Katalysatoren aus ternären Legierungen wie Platin-Cobalt-Katalysatoren, Platin-Chrom- Katalysatoren, Palladium-Chrom-Katalysatoren, Platin-Cobalt-Chrom- Katalysatoren und vielen anderen.
Zur Verbesserung der Katalysator-Leistungsfähigkeit wurden beträchtliche Untersuchungen durchgeführt. Herstellungstechniken, die die anfängliche aktive Oberfläche erhöhen, und verschiedene chemische Zusammensetzungen, die die Stabilität des Katalysators im Hinblick auf Auflösung und Erhaltung der aktiven Oberfläche verbessern, wurden erforscht. Als Ergebnis wurden Brennstoffzellen-Kathodenkatalysatoren mit Anfangs-Massenaktivitäten im Bereich von etwa 15 mA/mg Platin (Milliampère pro Milligramm Platin) bis etwa 50 mA/mg Platin entwickelt (Ablesungen getätigt bei 400ºF (205ºC), 0,9 V und Atmosphärendruck).
In einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle beispielsweise beginnt jedoch das Platin in diesen Katalysatoren sich sofort bei Kontakt mit der heißen Phosphorsäure in ihr zu lösen, wodurch die Massenaktivität des Katalysators sinkt. Als Folge besitzen Katalysatoren, die zu Anfang Massenaktivitäten von etwa 50 mA/mg Platin haben, nach etwa 10000 Stunden Brennstoffzellenbetrieb nur Aktivitäten von etwa 30 mA/mg Platin oder darunter, und nach etwa 40000 Stunden Betrieb etwa 15 mA/mg Platin. Daher wird, obwohl diese Katalysatoren eine nutzbare Lebensdauer über etwa 40000 Stunden hinaus haben können, ihre Massenaktivität weniger als etwa 15 mA/mg Platin sein. Man beachte, daß die Massenaktivität des Katalysators der Sauerstoffreduktions- Aktivität des Katalysators, die für Platin, d. h. pro mg Platin, normiert wurde, entspricht.
Was in der Technik gebraucht wird, ist ein verbesserter Kathodenkatalysator, der für mehr als etwa 10000 Stunden Brennstoffzellenbetrieb physikalische und chemische Stabilität und eine Aktivität von größer als 40 mA/mg Platin besitzt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Platin-Rhodium-Eisen- Legierung-Brennstoffzellenkatalysator. Dieser Katalysator ist zusammengesetzt aus etwa 40 Atom% bis etwa 60 Atom% Platin, etwa 10 Atom% bis etwa 20 Atom% Rhodium und etwa 20 Atom% bis etwa 50 Atom% Eisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine verbesserte Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle hat einen Anodenkatalysator, einen Elektrolyten, einen Anodenraum und einen Kathodenraum. Die Verbesserung weist einen Kathodenkatalysator auf mit etwa 40 Atom% bis etwa 60 Atom% Platin, etwa 10 Atom% bis etwa 20 Atom% Rhodium und etwa 20 Atom% bis etwa 50 Atom% Eisen.
Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteil der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen deutlicher werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Leistungsstabilität des Platin-Rhodium-Eisen-Katalysators der vorliegenden Erfindung über etwa 2700 Stunden.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Leistungsstabilität des Platin-Rhodium-Eisen-Katalysators der vorliegenden Erfindung über etwa 1900 Stunden.
Diese Figuren sollen beispielhaft sein und sollen nicht den allgemein breiten Umfang der vorliegenden Erfindung beschränken.

Beste Art zur Durchführung der Erfindung

Der Katalysator der vorliegenden Erfindung ist ein Katalysator aus ternärer Legierung, der zusammengesetzt ist aus Platin (Pt), Rhodium (Rh) und Eisen (Fe). Die Konzentrationen von Platin und Rhodium in dem aktiven Bereich des Fertigkatalysators (ausschließlich Träger) liegen im Bereich von etwa 40 Atomprozent (Atom%) bis etwa 60 Atom% Platin und etwa 10 Atom% bis etwa 20 Atom% Rhodium, wobei etwa 45 Atom% bis etwa 55 Atom% Platin und etwa 14 Atom% bis etwa 17 Atom% Rhodium bevorzugt sind. Konzentrationen von etwa 48 Atom% bis etwa 52 Atom% Platin und etwa 14 Atom% bis etwa 16 Atom% Rhodium sind besonders bevorzugt mit einer Eisenkonzentration von etwa 31 Atom % bis etwa 35 Atom %, wegen der hohen Leistungsfähigkeit, die bei diesen Konzentrationen erhalten wird. Eisenkonzentrationen bei diesem ternären Katalysator können jedoch im Bereich von etwa 20 Atom% bis etwa 5 Atom% liegen, wobei etwa 27 Atom% bis etwa 22 Atom% bevorzugt sind.
Dieser Katalysator kann unter Verwendung von konventionellen Herstellungstechniken hergestellt werden. Eine mögliche Herstellungstechnik weist auf Bilden eines Platin-Rhodium-Vorläufers, Abscheiden des Eisens auf diesem Vorläufer, dann Wärmebehandeln des Vorläufers zur Bildung des Platin-Rhodium-Eisen-Legierung- Katalysators. Eine andere mögliche Herstellungstechnik weist auf Bilden eines getragenen Platinkatalysators, Abscheiden des Rhodiums und Eisens auf dem Platinkatalysator und dann Wärmebehandeln des Katalysators. Eine dritte Herstellungstechnik weist auf Lösen einer Platinverbindung, einer Eisenverbindung und einer Rhodiumverbindung in einer einen Träger enthaltenden Dispersion dergestalt, daß das Platin, Eisen und Rhodium in ihren ionischen Formen vorliegen. Das Platin, Rhodium und Eisen wird dann aus der Lösung ausgefällt, auf dem Träger abgeschieden, mittels eines Reduktionsmittels zu seiner metallischen Form reduziert und schließlich wärmebehandelt.
Die Vorläufer-Herstellung besteht aus dem Bilden einer Dispersion eines löslichen Rhodiumsalzes und eines löslichen Platinsalzes in Gegenwart eines Trägers. Dieses Platinsalz kann ein übliches Platinsalz sein, das mittels Wärme oder eines Reduktionsmittels zu metallischem Platin reduzierbar ist, einschließlich: Platin (IV) chlorid, Platin (IV) iodid, Platinsulfat, Chiorpiatinsäure, Mischungen davon und andere. Chlorpiatinsäure hat sich als besonders nützlich erwiesen wegen ihrer Verfügbarkeit und Leichtigkeit der Reduktion. In ähnlicher Weise können übliche Rhodiumsalze verwendet werden, die mittels Wärme oder eines Reduktionsmittels zu metallischem Rhodium reduzierbar sind, einschließlich: Rhodiumnitrat, Rhodiumsulfat, Rhodiumsulfit, Rhodiumchlorid, Mischungen davon und andere.
Der Träger hat bevorzugt eine Oberfläche von etwa 50 m²/g (Quadratmeter pro Gramm) bis etwa 1000 m²/g oder größer. Zu möglichen Trägern gehören Träger aus Kohlenstoffbasis, wie graphitisierte Kohlen, und andere üblichen Träger. Zu einigen solchen Trägern gehören Vulcan XC- , ein von Cabot Corporation, Cambridge, Massachusetts, hergestellter Ruß, Vulcit , graphitisiertes Vulcan XC-72 und Shawinigan Acetylen Black , hergestellt von Chevron, San Francisco, Kalifornien, wobei graphitisierter Kohlenstoff wegen seiner Korrosionsbeständigkeit der bevorzugte Träger für einen Kathodenkatalysator ist. Typischerweise können, auf der Basis des Gewichts des Fertigkatalysators (der Träger und die Metalle), etwa 50 Gew% (Gewichtsprozent) bis etwa 95 Gew% Träger verwendet werden, wobei etwa 70 Gew% bis etwa 95 Gew% Träger bevorzugt sind.
Obwohl die Rhodium- und Platin-Salze in Wasser gelöst werden und der Träger darin dispergiert wird, können andere übliche Lösungsmittel, die das Platin, Rhodium, den Träger oder den Fertigkatalysator nicht ungünstig beeinflussen, zur Herstellung der Dispersion verwendet werden. Zu möglichen Lösungsmitteln gehören Lösungsmittel auf Wasserbasis, Alkohol, Ether, Mischungen davon und andere. Lösungsmittel, die eine hohe Dielektrizitätskonstante, oberhalb etwa 20, besitzen, verringern die Bindungsfestigkeit zwischen Atomen in ionischen Verbindungen und erlauben, daß die Bindungen leichter gespalten werden, wodurch die ionischen Spezies gebildet werden. Folglich stellt Wasser das bevorzugte Lösungsmittel dar, da es eine hohe Dielektrizitätskonstante von 81 besitzt und da es nicht irgendwelche neuen Bestandteile in die Dispersion oder den Vorläufer einführt.
Wenn die Platin- und Rhodium-Salze in dem Lösungsmittel gelöst wurden und der Träger darin dispergiert wurde, wird ein Fällungsmittel zu der Dispersion zugegeben, um die Metallionen aus der Lösung auszufällen und sie auf dem Träger abzuscheiden. Dieses Fällungsmittel kann irgendein auf diesem Gebiet zum Fällen bekanntes, übliches Mittel sein, einschließlich einer Säure oder Base, die den pH der Dispersion in einen Bereich bringt, in dem die Metalle ausfallen.
Die ausgefällten, getragenen Metallionen werden dann mittels Wärme, einem Reduktionsmittel oder einer anderen Reduktionseinrichtung in metallisches Platin und Rhodium umgewandelt, um den Platin-Rhodium- Vorläufer zu bilden. Zu möglichen Reduktionsmitteln gehören Formaldehyd, Ameisensäure, Formiat, Mischungen davon und andere. Diese Reduktionsmittel werden in Lösung mit den ausgefällten Metallionen gemischt, um die Ionen zu metallischem Platin und Rhodium zu reduzieren. Wärmereduktion andererseits umfaßt Trocknen der Dispersion zur Abscheidung der Metallionen auf dem Träger und Erhitzen des getrockneten Trägers und der Metallionen auf Temperaturen von etwa 700ºC (1292ºF) bis etwa 1000ºC (1832ºF) in einer inerten oder in Wasserstoff-Umgebung zur Bildung des Vorläufers.
Der Platin-Rhodium-Vorläufer wird dann bei der Bildung des getragenen, ternären Platin-Rhodium-Eisen-Katalysators verwendet. Die Katalysator-Herstellung weist auf zuerst Dispergieren des Vorläufers in einem Lösungsmittel, während ein Eisensalz entweder in dem gleichen oder einem anderen Lösungsmittel zur Bildung einer Eisenlösung gelöst wird. Zu möglichen Eisensalzen, die zur Bildung der Eisenlösung verwendet werden können, gehören Eisennitrat, Eisenacetat, Eisenchlorid, Eisensulfat, Mischungen davon und andere. Obwohl für das Platin-, Rhodium- und Eisen-Salz verschiedene Lösungsmittel verwendet werden können, wird das Eisensalz typischerweise in dem gleichen Lösungsmittel wie das Platin und Rhodium gelöst, aus Bequemlichkeitsgründen, um vollständiges Vermischen der Eisen-Lösung und der Vorläufer-Dispersion sicherzustellen, und um irgendwelche möglichen chemischen Reaktionen zwischen den Lösungsmitteln selbst zu vermeiden.
Die Eisenlösung wird zu der Vorläufer-Dispersion hinzugefügt und gut gemischt, um eine im wesentlichen homogene Mischung auszubilden, die zur Entfernung des Lösungsmittels und zur Bildung eines trockenen Gemisches erhitzt und/oder mittels Saugfilter filtriert wird. Dieses trockene Gemisch wird in einem Ofen mit einer strömenden Inertgasumgebung wärmebehandelt, um die Metalle über eine carbothermische Reaktion zu legieren. Das Inertgas erlaubt es dem Kohlenstoff in dem Träger, das Eisen unter Bildung des ternären Katalysators zu reduzieren (s. Gleichung 1). Man beachte, wenn der Träger keinen Kohlenstoff enthält, kann bei diesem Verfahren ein Kohlenstoff enthaltendes Gas verwendet werden.
Pt-Rh/C + FexOy --(N&sub2;) --> Pt-Rh-Fe/C + CO (1)
Wärmebehandlungstemperaturen liegen im Bereich von etwa 800ºC (1472ºF) bis etwa 1000ºC (1832ºF) für etwa 45 Minuten bis etwa 120 Minuten.
Da bei vielen legierten Katalysatoren beobachtet wurde, daß eine geordnete Legierung stabiler ist als eine Legierung in fester Lösung, ist ein Ordnen des Legierungskatalysators bevorzugt. Ordnen des Legierungskatalysators führt dazu, daß sich die Metallatome in einer geordneten, periodischen Weise an den Plätzen des Kristallgitters anordnen statt in der ungeordneten Art einer Legierung in fester Lösung. Man glaubt, daß dieses Ordnen zu einer stärkeren Wechselwirkung zwischen den Metallen und daher zu größerer chemischer Stabilität führt. Während zwischen geordneten Legierungen und Legierungen in fester Lösung bei der anfänglichen katalytischen Aktivität wenig Unterschied beobachtet wird, wird oft nach einer Zeit lang ein großer Unterschied beobachtet. Da die katalytische Aktivität von der chemischen Zusammensetzung der Legierung abhängt, ist es wünschenswert, die chemische Zusammensetzung beizubehalten. Die stärkere Wechselwirkung zwischen den Metallen in der geordneten Legierung ermöglicht eine längere Beibehaltung der chemischen Zusammensetzung der Legierung und daher eine längere Beibehaltung ihrer katalytischen Aktivität als in der Legierung in fester Lösung.
Typischerweise umfaßt ein Ordnen des legierten Katalysators eine nachfolgende Wärmebehandlung des legierten Katalysators bis etwa 500ºC bis etwa 600ºC (etwa 932ºF bis etwa 1112ºF) für etwa 40 Minuten bis etwa 120 Minuten. Für eine Legierung mit 50 Atom% Platin bedeutet nachfolgende Wärmebehandlung, daß, wenn die Kristallstruktur eine kubisch-flächenzentrierte ist, die Platinatome die Flächen des Würfels außer der oberen und unteren besetzen, während das Rhodium und Eisen die Eckplätze besetzen. Bei einer festen Lösung der gleichen chemischen Zusammensetzung können sich die Atome an jedem Platz in der kristallinen Struktur befinden.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf das folgende erläuternde Beispiel verdeutlicht werden. Dieses Beispiel ist zur Erläuterung der Herstellung des Platin-Rhodium-Eisen-Katalysators der vorliegenden Erfindung angegeben. Es ist jedoch nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken.

BEISPIEL

Die folgende Technik wurde zur Bildung eines Platin-Rhodium-Eisen- Katalysators mit einem Atomverhältnis von jeweils 50:15:35 verwendet. Diese Technik umfaßte zuerst Herstellen eines aus 10 Gew% Platin, 0,33 Gew% Rhodium, Rest Vulcit bestehenden Platin-Rhodium- Vorläufers, und dann Verwenden des Vorläufers bei der Herstellung des Platin-Rhodium-Eisen-Katalysators.
A. Der Platin-Rhodium-Vorläufer wurde wie folgt hergestellt:
1. Eine Dispersion von 6 Gramm (g) Vulcit in 400 Millilitern (ml) destilliertem Wasser wurde hergestellt und 18 Stunden lang gerührt, um das Vulcit vollständig zu benetzen.
2. Die Dispersion wurde mittels Ultraschall mit 2,0914 g Natriumbicarbonat 15 Minuten lang gemischt und dann 30 Minuten lang unter Beibehaltung kontinuierlichen Rührens am Sieden gehalten, um an dem Vulcit Stellen für nachfolgende Abscheidung der Metalle vorzubereiten.
3. Lösungen von Platin- und Rhodium-Salzen wurden durch Mischen von 25,22 g Chlorplatinsäure mit 100 ml destilliertem Wasser bzw. 0,2265 g Rhodiumchlorid mit 30 ml destilliertem Wasser hergestellt.
4. Die Rhodium-Lösung wurde dann mit 7,41 ml der Platin-Lösung und zusätzlichem destilliertem Wasser, um 50 ml zu erhalten, gemischt, wodurch eine Platin-Rhodium-Lösung gebildet wurde.
5. Die Platin-Rhodium-Lösung wurde über einen Zeitraum von 5 Minuten tropfenweise zu der siedenden Dispersion zugegeben. Sieden und Rühren wurden zusätzliche 30 Minuten lang beibehalten.
6. Dann wurde eine verdünnte Formaldehyd-Lösung hergestellt durch Verdünnen von 0,629 ml einer 30%igen Formaldehyd-Lösung mit ausreichend destilliertem Wasser, um 50 ml Lösung zu erhalten.
7. Die verdünnte Formaldehyd-Lösung wurde über 10 Minuten tropfenweise zu der siedenden Dispersion zugefügt. Sieden und Rühren wurden für zusätzliche 30 Minuten beibehalten.
8. Die Platin-Rhodium-Vulcit -Dispersion wurde dann zum Sammeln des Vorläufers durch Whatman 42-Filterpapier mittels Saugfilter heiß filtriert.
9. Dieser Vorläufer wurde zur Entfernung von verbleibenden Chloriden viermal gewaschen, indem man ihn in einem großen Becher mit 360 ml destilliertem Wasser und 120 ml Ammoniumbicarbonat 30 Minuten lang rührte und mittels Saugfilter filtrierte.
10. Der gewaschene Vorläufer wurde bei 180ºF (82ºC) getrocknet und durch ein 80 Mesh-Sieb gesiebt.
B. Der ternäre Platin-Rhodium-Eisen-Katalysator wurde dann aus dem obigen Vorläufer wie folgt hergestellt:
1. Eine Dispersion aus 2 g des Vorläufers und 30 ml destilliertem Wasser wurde mittels Ultraschall 2 Minuten lang gemischt.
2. Eine Lösung von 0,28992 g Eisennitrat in 15 ml destilliertem Wasser wurde hergestellt und zu der Vorläufer-Dispersion hinzugefügt.
3. Der pH der Eisen-Vorläufer-Dispersion wurde mit verdünnter Ammoniumhydroxid-Lösung auf 5,5 eingestellt, um Eisenadsorption auf dem Vorläufer herbeizuführen.
4. Die Eisen-Vorläufer-Dispersion wurde dann 2 Minuten lang mittels Ultraschall gemischt und 25 Minuten lang magnetisch gerührt unter Beibehaltung eines pH von 5,5, um das Eisen davon abzuhalten, sich wieder zu lösen, wodurch inniger Kontakt zwischen dem Vorläufer und dem Eisen sichergestellt wurde, und der Katalysator gebildet wurde.
5. Der Katalysator wurde in einem Ofen bei 180ºF (82ºC) 18 Stunden lang getrocknet und dann durch ein 80 Mesh-Sieb gesiebt.
6. Das Platin, Rhodium und Eisen in dem Katalysator wurde dann legiert und durch Erhitzen des Katalysators eine Stunde lang auf 1700ºF (927ºC) und eine Stunde lang auf 1100ºF (593ºC) in einer Stickstoff-Umgebung geordnet, wodurch ein kubischflächenzentrierter legierter Katalysator mit Platin an den Flächen gebildet wurde.
Der oben beschriebene Katalysator wurde zur Herstellung von Elektroden verwendet, die in einer Halbzellen-Vorrichtung auf Anfangsaktivität für Sauerstoffreduktion untersucht wurden. Die Testbedingungen waren 350ºF (177ºC) und 99% Phosphorsäure bei 0,9 Volt gegen eine statische Wasserstoffelektrode unter Sauerstoff. Die Aktivität dieses Katalysators und der von Katalysatoren des Stands der Technik ist in der Tabelle I unten gezeigt.
Co - Cobalt
Cr - Chrom
Ir - Iridium
Zusätzlich zur Massenaktivität wurden Leistungsstabilität und chemische Stabilität in einer Klein-Brennstoffzelle für Zeiten von mehr als 2000 Stunden bewertet (s. Figuren 1 und 2). Diese Bewertungstests wurden für Fig. 1 bei einer Zellentemperatur von 205ºC (400ºF), einer Stromdichte von 18,6 A/m² (Ampère pro Quadratmeter) (200 ASF), mit einer RL1-Brennstoffausnutzung von 80% und Oxidationsluft- Ausnutzung von 50% durchgeführt. Zwischenzeitlich wurde der Bewertungstest von Fig. 2 durchgeführt bei einer Zellentemperatur von 205ºC (440ºF) und einer Stromdichte von 20,9 A/m² (225 ASF), mit einer RL1-Brennstoffausnutzung von 80% und einer Oxidationsluft- Ausnutzung von 60%. Man beachte, RL1 ist ein aus etwa 70 Volumenprozent (v/o Wasserstoff), etwa 29 v/o Kohlendioxid und etwa 1 v/o Kohlenmonoxid zusammengesetzter Brennstoff.
Tabelle II faßt die chemische und strukturelle Stabilität des Platin- Rhodium-Eisen-Katalysators zusammen durch Offenlegung der Ergebnisse von Tests in 5,08 cm (Zentimeter) (2 Zoll) x 5,08 cm (2 Zolle) Klein-Zellen. Diese Ergebnisse zeigen an, daß die Stabilität der chemischen Struktur und der Oberfläche besser ist als bei einer Platin- Cobalt-Chrom-Legierung nach einem vergleichbaren Testprogramm. Beispielsweise verringerte sich die Oberfläche des Platin-Chrom-Cobalt- Katalysators über eine Zeitdauer von näherungsweise 5000 Stunden um etwa 63 %, während sich die Oberfläche des Platin-Rhodium-Eisen- Katalysators der vorliegenden Erfindung lediglich um etwa 48% verringerte. TABELLE II
Typischerweise arbeiten Phosphorsäure-Brennstoffzellen bei etwa 300ºF (149ºC) bis etwa 400ºF (205ºC) und etwa 0,5 Volt bis etwa 0,8 Volt bei Atmosphärendruck. Der Platin-Rhodium-Eisen-Legierung-Katalysator der vorliegenden Erfindung zeigte unter diesen Bedingungen (man beachte, daß die Ablesungen bei 400ºF (205ºC), 0,9 Volt und Atmosphärendruck getätigt wurden) mindestens 5000 Stunden lang eine Massenaktivität von größer als etwa 45 mA/mg Platin. Im Gegensatz dazu haben Katalysatoren des Stands der Technik, die Anfangsmassenaktivitäten von bis zu etwa 50 mA/mg Platin besitzen, nach etwa 1000 Stunden Brennstoffzellenbetrieb typischerweise Aktivitäten unterhalb etwa 40 mA/mg.
Aufgrund des vorstehenden Experimentierens und Extrapolierens glaubt man, daß der Katalysator der vorliegenden Erfindung für über 10000 Stunden Brennstoffzellenbetrieb eine Aktivität oberhalb etwa 40 mA/mg Platin beibehalten kann. Außerdem glaubt man, daß die Stabilität und Massenaktivität des Katalysators viel größer sein wird, wenn die Brennstoffzelle bei etwa 149ºC (300ºF), bis zu etwa 0,8 Volt und Atmosphärendruck betrieben wird, und die Ablesungen der Massenaktivität wiederum bei etwa 205ºC (400ºF), etwa 0,9 Volt und Atmosphärendruck getätigt werden.

Claims

1. Platin-Rhodium-Eisen-Legierung-Katalysator, enthaltend: etwa 40 Atom% bis etwa 60 Atom% Platin; etwa 10 Atom% bis etwa 20 Atom% Rhodium; und etwa 20 Atom% bis etwa 50 Atom% Eisen.

2. Katalysator nach Anspruch 1, bei dem der Katalysator eine Massenaktivität für Sauerstoffreduktion von mindestens etwa 40 mA/mg Platin bei etwa 0,9 Volt, etwa 205ºC (400ºF) und Atmosphärendruck nach mindestens etwa 10000 Stunden Brennstoffzellenbetrieb bei etwa 149ºC (300ºF) bis etwa 205ºC (400ºF), etwa 0,5 Volt bis etwa 0,8 Volt und Atmosphärendruck beibehält.

3. Katalysator nach Anspruch 1 mit etwa 45 Atom % bis etwa 55 Atom% Platin; etwa 13 Atom% bis etwa 18 Atom% Rhodium und etwa 27 Atom% bis etwa 42 Atom% Eisen.

4. Katalysator nach Anspruch 1 mit etwa 48 Atom% bis etwa 52 Atom% Platin; etwa 14 Atom% bis etwa 17 Atom% Rhodium und etwa 31 Atom% bis etwa 38 Atom% Eisen.

5. Katalysator nach Anspruch 1, bei dem das Katalysator-Platin, -Rhodium und -Eisen auf einem Träger getragen sind.

6. Katalysator nach Anspruch 5, bei dem Träger ein Träger auf Kohlenstoffbasis ist.

7. Katalysator nach Anspruch 5, bei dem der Katalysator etwa 50 Gewichts% bis etwa 95 Gewichts% Träger besitzt.

8. Verbesserte Brennstoffzelle mit einem Anodenkatalysator, einem Elektrolyten, einem Anodenraum und einem Kathodenraum, bei der die Verbesserung einen Kathodenkatalysator aufweist, der enthält:

etwa 40 Atom% bis etwa 60 Atom% Platin; etwa 10 Atom% bis etwa 20 Atom% Rhodium und etwa 20 Atom% bis etwa 50 Atom% Eisen.

9. Verbesserte Brennstoffzelle nach Anspruch 8, bei der der Katalysator eine Massenaktivität für Sauerstoffreduktion von mindestens etwa 40 mA/mg Platin bei etwa 0,9 Volt, etwa 205ºC (400ºF) und Atmosphärendruck nach mindestens etwa 10000 Stunden Brennstoffzellenbetrieb bei etwa 149ºC (300ºF) bis etwa 205ºC (400ºF), etwa 0,5 Volt bis etwa 0,8 Volt und Atmosphärendruck beibehält.

10. Verbesserte Brennstoffzelle nach Anspruch 8 mit etwa 45 Atom% bis etwa 55 Atom% Platin; etwa 13 Atom% bis etwa 18 Atom% Rhodium und etwa 27 Atom% bis etwa 42 Atom% Eisen.

11. Verbesserte Brennstoffzelle nach Anspruch 8 mit etwa 48 Atom% bis etwa 52 Atom% Platin; etwa 14 Atom% bis etwa 17 Atom% Rhodium und etwa 31 Atom% bis etwa 38 Atom% Eisen.

12. Verbesserte Brennstoffzelle nach Anspruch 8, bei der die Brennstoffzelle eine Säure-Brennstoffzelle ist.

13. Verbesserte Brennstoffzelle nach Anspruch 8, bei der das Platin, Rhodium und Eisen auf einem Träger getragen sind.

14. Katalysator nach Anspruch 13, bei dem der Träger ein Träger auf Kohlenstoffbasis ist.

15. Katalysator nach Anspruch 13, bei dem der Kathodenkatalysator etwa 50 Gewichts% bis etwa 95 Gewichts% Träger besitzt.