[发明专利]用于燃料电池的电极、制法及应用该电极的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的电极、该电极的制备方法以及应用该电极的燃料电池，更具体地说，本发明涉及这样的用于燃料电池的电极、该电极的制备方法以及应用该电极的燃料电池，其中该电极与常规电极相比，即使在使用相对少量的粘合剂时也具有优异的斥水性，从而导致载体催化剂的效率最大化。

背景技术

燃料电池是发电系统，其直接将碳氢化合物如甲醇、乙醇和天然气中的氧和氢的化学能转化成电能。根据使用的电解质的类型，燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。燃料电池的工作温度及其组成材料根据在燃料电池中使用的电解质类型而变化。

在燃料电池中产生电的电池组(stack)包含多个(几个到几十个)单元电池，每个单元电池包括膜电极组件(MEA)和隔板(或双极板)。在MEA中，阳极电极和阴极电极相互紧密地粘附在一起，其中聚合物电解质膜插在阳极电极和阴极电极之间。

阳极电极和阴极电极各自包括催化剂层和扩散层。氧化还原反应在催化剂层中进行，催化剂层通过用粘合剂粘合浸渍有催化剂金属的载体催化剂而制备。

聚苯并咪唑(PBI)基聚合物主要用作在高温下运行的PEMFC的电解质膜。这样的电解质膜具有优异的化学稳定性和离子传导性。然而，当电解质膜含有过多的磷酸时，聚苯并咪唑就会溶解在磷酸中。因此，在使用聚苯并咪唑作为电解质膜之前，将聚苯并咪唑用聚四氟乙烯化学处理。在这种情况中，电极应当是疏水性的，否则电解质膜中的磷酸就会逸出而产生跨接(crossover)。

因此，有关电极上疏水性涂层的研究已经进行，日本专利申请公开1979-095982、1982-208072、1988-048752等公开了在制备电极时使用聚四氟乙烯作为粘合剂。

然而，当过多的聚四氟乙烯粘合剂用作疏水性涂层时，载体催化剂的比表面积降低，电极的槽电阻增加，且由于所希望的斥水性没有达到从而可导致跨接增加。

发明内容

本发明提供与常规电极相比，即使在使用相对少量的粘合剂时也具有优异的斥水性，从而导致载体催化剂的效率最大化的用于燃料电池的电极、该电极的制备方法以及应用该电极的燃料电池。

根据本发明的一个方面，提供了用于燃料电池的电极，包括含有支撑材料、催化剂和粘合剂的催化剂层，其中该支撑材料的比表面积至少为500m²/g，且基于100重量份支撑材料和催化剂的总量，粘合剂包括0.5-50重量份的氟化乙烯丙烯共聚物。

根据本发明的另一方面，提供了用于燃料电池的电极的制备方法，包括：通过将比表面积至少为500m²/g的支撑材料、催化剂、分散介质和氟化乙烯丙烯共聚物混合制备浆液，其中基于100重量份支撑材料和催化剂的总量，该氟化乙烯丙烯共聚物的量为0.5-50重量份；将该浆液涂覆到电极材料上并干燥所得产物；并将该干燥的所得产物热处理。

根据本发明的另一方面，提供了应用上述电极的燃料电池。

附图说明

本发明的上述和其它特征和优点将通过参照附图对示范性实施方案进行详细描述而变得更加清楚，其中：

图1是阐明根据本发明实施方案的燃料电池电极的制备方法的示意性流程图；

图2是显示膜电极组件的电流-电压性质与单元电池的催化剂装载量的关系的曲线图，每个单元电池包括疏水性涂覆的PTFE电解质膜和实施例1中或对比例1中制备的电极；

图3是显示电池性能与单元电池的粘合剂量的关系的曲线图，每个单元电池包括疏水性涂覆的PTFE电解质膜和实施例2-6中制备的电极；

图4是阐明单元电池长期耐久性的曲线图，单元电池包括疏水性涂覆的PTFE电解质膜和实施例4中制备的电极。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更充分地描述本发明，其中将显示本发明示范性的实施方案。

根据本发明实施方案的用于燃料电池的电极具有优异的斥水性，且维持优异的载体催化剂的比表面积，以使载体催化剂的应用最大化。