[发明专利]聚合物电解质膜燃料电池的电极和使用其形成膜电极组件的方法

说明书

技术领域

本公开内容通常涉及燃料电池的膜电极组件。更特别地，其涉及聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的电极和使用其形成膜电极组件(MEA)的方法，其通过加入碳纳米纤维提高燃料电池的物理耐久性，并通过加入自由基抑制剂提高燃料电池的化学耐久性。 

背景技术

通常，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有多种优点，例如与其它类型燃料电池相比的高能量效率、高电流密度、高功率密度、短启动时间、和对负荷变化的快速响应。特别地，PEMFC对反应气体的压力变化不那么敏感，并在多种范围内提供输出。因此，PEMFC可用于多种用途，如零排放车辆的能源、独立电厂、便携式能源、军用能源等。 

优选地，PEMFC是利用氢与氧之间的电化学反应产生的水发电的装置。供给到PEMFC的阳极的氢通过催化剂离解为氢离子(质子，H⁺)和电子(e^-)。氢离子通过电解质膜传输到阴极，电子传输到阴极。此时，供给到阴极的氧与通过外部导体从阳极传送到阴极的电子(e^-)、以及通过聚合物电解质膜从阳极迁移到阴极的质子(H⁺)反应以产生水并产生电能。 

这里，理论电位为1.23V，反应式如下： 

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O 

在上述燃料电池系统中，充分发电的燃料电池组具有合适地堆叠几个至几十个单元电池的结构，该单元电池各自包括膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)。 

燃料电池组的膜电极组件优选具有如下结构：阳极(也称为氢电极、燃料电极或氧化电极)和阴极(也称为空气电极、氧电极或还原电极)合适地连接到插入其间的聚合物电解质膜上，并且以如下方式 合适地形成阳极和阴极：使包括纳米粒径铂催化剂颗粒的催化剂层合适地涂布在电极背衬层上，例如碳纸或碳布上。 

优选地，如图4的概念图中所示，阳极和阴极各自包括催化剂(其中铂适当地负载在碳上)和聚合物电解质粘合剂，并形成厚度为大约1至50微米的催化剂层。 

此外，将气体扩散层适当地连接到阳极和阴极的每一个上，该气体扩散层具有微孔隙并通过将炭黑颗粒涂布在电极背衬层(如碳纸或碳布)上而形成，以便均匀地将反应物供给到膜电极组件。 

优选地，气体扩散电极可以用氟树脂施以疏水处理，以便排出反应副产物，如在阴极的催化剂层中电化学生成的水(H₂O)。 

同时，膜电极组件可优选以如下方式形成：将催化剂层通过合适方法适当地涂布在气体扩散层上，随后将包括催化剂层的气体扩散层热压到电解质膜上。或者，膜电极组件可以以如下方式形成：将催化剂层涂布在电解质膜上，随后将气体扩散层粘结到其上。上述结构中的气体扩散层同时用作集电极。 

因此，燃料电池通过将氢供给到阳极并将空气或氧供给到阴极以导致电化学反应，从而生成高效率电能和反应副产物，如水。反应物之间的电化学反应优选发生在燃料电池中包括的催化剂层中，并且该反应产生的氢离子通过催化剂层中的聚合物电解质(离聚物)和聚合物膜传输到阴极，电子通过GDL和双极板传输到阴极。 

催化剂层的结构适当地由电极材料、其形成方法等决定。优选地，电极材料包括适当地负载在碳上的铂催化剂和聚合物电解质(离聚物)，并且可以通过将催化剂层涂布在气体扩散层上，通过将催化剂层直接涂布在膜上，或通过将催化剂层涂布在隔离纸上并随后将催化剂层转移到膜上而形成电极。 

存在许多类型的用于负载铂的碳材料，如科琴黑、Vulcan XC 72、乙炔黑、碳纳米管等。 

这里，参照图1至3描述形成膜电极组件的常规方法。如图1所示，通过将催化剂浆料涂布、喷涂或涂刷在气体扩散层上以适当地形成电极，随后将包括气体扩散层的电极热压到电解质膜的两面上。如图2所示，通过将催化剂浆料直接喷涂、涂布或涂刷到聚合物膜上以 形成膜电极组件，随后热压到气体扩散层上。此外，如图3所示，通过将催化剂浆料喷涂、涂布或涂刷在隔离纸上以形成电极，并转移到聚合物膜上，并将包括催化剂层的聚合物膜粘结到气体扩散层上。 

因此，在催化剂层在气体扩散层上形成的情况下，尽管对孔隙形成而言是有利的，但形成膜电极组件并不容易，因此该方法不适于大规模生产膜电极组件。