[发明专利]包含纳米结构化薄催化层的电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明总的来讲涉及用于燃料电池的电极，特别涉及包含纳米结构化薄催化层的电极，及其制备方法。

背景技术

电化学转化电池，通常称作燃料电池，通过处理反应物(例如通过氢和氧的氧化还原)产生电能。典型的聚合物电解质燃料电池包括在两侧上都具有催化剂层的聚合物膜(例如质子交换膜(PEM))。该涂覆有催化剂的PEM位于一对气体扩散介质层之间，阴极板和阳极板位于该气体扩散介质层的外部。将所述部件压缩以形成该燃料电池。

目前广泛使用的燃料电池电催化剂是负载在碳载体上的铂纳米颗粒。根据该催化剂和负载量，用该碳负载的铂催化剂制备的电极正常情况下具有从几微米到约10或20微米的厚度，孔隙率从30％到80％变化。这些碳负载催化剂的一个缺点是在某些燃料电池操作条件下碳具有差的防腐蚀性，这导致快速的性能退化。

该催化剂层能够由纳米结构化薄载体材料制成。该纳米结构化薄载体材料之上具有催化剂的颗粒或薄膜。该纳米结构化薄催化层能够使用公知方法制备。美国专利号4,812,352、4,940,854、5,039,561、5,175,030、5,238,729、5,336,558、5,338,430、5,674,592、5,879,827、5,879,828、6,482,763、6,770,337和7,419,741和美国公开号2007/0059452、2007/0059573、2007/0082256、2007/0082814、2008/0020261、2008/0020923、2008/0143061和2008/0145712中描述了用于制备纳米结构化薄催化层的方法的一种实例，此处通过引用结合进来。基本方法包括将材料沉积在基底(例如聚酰亚胺)上，以及将该经沉积的材料退火以形成纳米结构化载体元件(称作晶须)的层。能够用于制备该纳米结构化载体元件的材料的一种实例是“苝红”(N，N’-二(3，5-二甲苯基)苝-3，4，9，10双(二羧酰亚胺))(可以商品名称“C.I.PIGMENT RED 149”商购自American Hoechst Corp.of Somerset，N.J.)。然后将催化剂材料沉积在纳米结构化载体元件的表面上以形成纳米结构化薄膜(NSTF)催化剂层，其可获自3M。

能够使用例如热压层压工艺将该纳米结构化薄催化层直接转移到质子交换膜，例如Nafion膜。然后将该聚酰亚胺基底剥落，从而保留晶须层附着到该膜上。

这些类型的纳米结构化薄催化层已经证明具有高催化活性，其有助于降低燃料电池堆中的铂用量。最重要的是，因为该载体层并不是如用于燃料电池应用的传统铂催化剂中那样由碳制成的，因此该纳米结构化薄催化层在某些燃料电池操作条件下更具防腐蚀性，因此改进了该燃料电池的耐久性。

然而，在完成该退火工艺之后，在该聚酰亚胺基底的表面处保留残余的未结晶苝红的薄层。因此，当将该晶须转移到该PEM中并将该聚酰亚胺基底剥落时，过去与该聚酰亚胺基底相邻的该晶须的表面暴露出来并成为该膜电极组件(MEA)的表面。因此，原来与该聚酰亚胺基底相邻的该残余的未结晶苝红背层暴露出来。这能够不利于该燃料电池的操作，因为其能够堵塞水和气体进入和离开该电极。

此外，为提供良好的性能，由这种类型的晶须催化剂层制备的MEA具有窄的操作条件范围(即其不能过干或过湿)。如果该燃料电池在湿条件下操作，厚度小于1μm的该晶须的薄层不能为该产物水提供足够的储存容量，从而导致溢流。在干条件下，相信由于差的质子转移特征因而没有使用所有部分的晶须以催化该反应。