[发明专利]液相进样直接燃料电池、其阳极催化剂层及其膜电极组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种液相进样直接燃料电池的阳极催化剂层和膜电极组件，以及包括该阳极催化剂层和膜电极组件的液相进样直接燃料电池。更具体地说，本发明涉及一种催化剂在最小剂量下显示出极佳的活性并确保催化剂的最佳稳定性和耐久性的液相进样直接燃料电池以及该电池的阳极催化层和膜电极组件。

背景技术

现在移动设备的发展需要有较高的输出和更大容量的电源，可充电锂二次电池广泛地用作这种电源。然而，锂二次电池在长时间实现相对较大容量的电子设备的充分性能时有很多问题。也就是说，制造大容量锂二次电池时由于其材料显示出许多限制，如生产成本高、安全性差以及充电时间长。

因此，对于满足上述要求并克服锂二次电池的缺陷的新的发电系统的研究十分活跃，而作为这种发电系统之一的能长时间提供高效能的燃料电池被人们所关注。

燃料电池是一种电池，当其把如氢或甲醇的燃料通过电化学反应转换成水时发电，这种燃料电池被认为是一种环境友好的能源，其能够解决锂二次电池的缺陷。

在燃料电池中，用于发电的最基本的单元是膜电极组件(MEA)，其包括电解质膜以及形成于电解质膜两个表面的阳极和阴极电极。图1显示了燃料电池的发电机理。参照图1，在阳极发生燃料的氧化反应以产生氢离子和电子，氢离子通过电解质膜向阴极电极移动。在阴极电极，通过电解质膜传输的氢离子和电子与氧气(氧化剂)反应生成水。这种反应使电子向外部电路运动。

这种燃料电池的典型例子是使用蒸气燃料的氢燃料电池和使用液体燃料的液相进样直接燃料电池，其在本领域的研究十分活跃且已部分投入市场。

特别是，最近更多的兴趣集中在不需要重整器的液相进样直接燃料电池，该电池传输非常便利，且确保了燃料制备的低成本。液相进样直接燃料电池的典型例子是使用甲醇作为其燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)。

对于液相进样直接燃料电池的阳极(燃料电极)催化剂层，通常使用铂-钌黑或铂-钯黑催化剂。然而，黑催化剂需要多达4mg/cm²的大剂量，且其性能在一段时间后由于因甲醇溶液造成的催化剂损失以及因催化剂颗粒生长而造成的反应面积减少而严重劣化。为了解决这一问题，使用了一种在碳基材料上载有铂-钌或铂-钯的载体催化剂。在这种情况下，催化剂的稳定性得到改善，因此可以减少随时间出现的性能劣化。然而，如果催化剂的剂量减少，反应活性相对黑催化剂劣化，而如果剂量增加，则由于传质阻力增加，其性能低于黑催化剂。

发明内容

技术问题

本发明设计解决现有技术的上述问题，因此，本发明的目的是提供一种液相进样直接燃料电池的阳极催化剂层和膜电极组件以及包含该阳极催化剂层和膜电极组件的液相进样直接燃料电池，该电池在最小剂量的催化剂下具有优异的活性并确保催化剂的优异的稳定性和耐久性。

技术方案

为了实现上述目的，本发明提供了一种液相进样直接燃料电池的阳极催化剂层，其包含铂-钌黑或铂-钯黑催化剂以及在碳基载体上载有铂-钌或铂-钯的铂-钌或铂-钯载体催化剂。

优选地，铂-钌黑或铂-钯黑催化剂用量与从载体催化剂的总重量中扣除载体的重量后得到的量的比为75∶25至25∶75。

碳基载体可代表性地包括炭黑、石墨、碳纳米管、碳纤维或碳纳米球。

在本发明的另一个实施方式中，还提供了液相进样直接燃料电池的膜电极组件，该组件包括一个电解质膜；以及相对设置的阳极和阴极电极，电解质膜位于它们中间，其中，阳极和阴极电极分别包括气体扩散层和催化剂层，而其中的阳极电极催化剂层包含铂-钌黑或铂-钯黑催化剂和在碳基载体上载有铂-钌或铂-钯催化剂的铂-钌或铂-钯载体催化剂。

电解质膜可代表性地包括一种选自全氟磺酸聚合物、烃基聚合物、聚酰亚胺、聚偏1，1-二氟乙烯、聚醚砜、聚苯硫、聚苯氧、聚磷腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酯、掺杂聚苯并咪唑、聚醚酮、聚砜、以及它们的酸和碱中的聚合物。

阴极电极的催化剂层可代表性地包括铂或铂-过渡金属合金催化剂。

优选地，气体扩散层包括导电基板，而导电基板可代表性地使用碳纸、碳布或碳毡。此外，气体扩散层可进一步包括形成于导电层一个表面上的微孔层。

在本发明的又一个实施方式中，还提供了液相进样直接燃料电池，该电池包括：电堆，其包括一个或至少两个如上所述的膜电极组件和插入到膜电极组件之中的隔板；提供燃料到电堆的燃料供给单元；以及提供氧化剂到电堆的氧化剂供应单元。

典型的燃料可以是甲醇、甲酸、乙醇、丙醇、丁醇和天然气。