[发明专利]燃料电池电极以及使用它制造膜电极组件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池电极以及使用它制造膜电极组件(MEA)的方法。更具体地，本发明涉及一种具有优异的物理和化学耐久性的燃料电池电极，以及使用它制造膜电极组件(MEA)的方法。

背景技术

在燃料电池系统中产生电的燃料电池组具有如下结构，其中数十至数百个单元电池堆叠在一起，每个单元电池包括MEA和隔板。

MEA包括聚合物电解质膜，以及布置在聚合物电解质膜的任一侧的负电极和正电极。配置负电极(也称作“氢电极”、“燃料电极”、“阳极”或“氧化电极”)和正电极(也称作“空气电极”、“氧电极”、“阴极”或“还原电极”)使得包括铂催化剂纳米颗粒的催化剂层形成在电极背衬层上，所述电极背衬层可以包括例如碳纸或碳布)。

制造膜电极组件的常规方法将在下面描述。如图1所示，将催化剂浆料涂覆、喷射或涂抹在气体扩散层上以形成电极，并且通过热压将电极与聚合物电极膜粘结。可选地，如图2所示，将催化剂浆料直接涂覆、喷射或涂抹在聚合物膜上，并且将所得的聚合物膜与气体扩散层粘结。在另一可选方式中，如图3所示，将催化剂浆料涂覆、喷射或涂抹在剥离纸上并将其转移至聚合物膜以形成电极，并且将电极与气体扩散层粘结。

前述常规技术方法具有许多缺点。例如，当将催化剂浆料施加至气体扩散层时，结果变得难以制造MEA，该方法商业上不可行。在聚合物膜上直接形成催化剂层的方法的另外的缺点是，因聚合物膜的变形变得难以制造具有大表面积的电极。在剥离纸上形成催化剂层并将催化剂层转移至聚合物膜的方法的另一缺点是，取决于催化剂层的厚度、粘合剂的含量和催化剂的类型，催化剂层可能开裂；结果，催化剂层在转移至聚合物膜的过程中可能损失。此外，在将催化剂层转移至聚合物膜后，催化剂层中可能形成裂缝，使得聚合物膜通过裂缝直接暴露于隔板的气体供应通道，从而使燃料电池的性能和耐久性劣化。

降低制造的MEA的耐久性的另一因素是聚合物电解质膜因化学不稳定性而损坏，其在燃料电池的运行和静止状态的过程中发生。此外，聚合物电解质膜的损坏由羟基(OH基)直接引起，所述羟基由过氧化氢产生，所述过氧化氢在氧或氢通过扩散聚合物膜时，也在氧电极处的反应的过程中产生。羟基在聚合物电解质(粘合剂)的端部分解官能团(-SO₃H)，其起到降低氢离子的传导性的作用，从而使燃料电池的性能劣化。

降低制造的MEA的耐久性的另一因素是车辆燃料电池的电压和电流随车辆的运行条件而显著变化。例如，在车辆运行如启动、停止、加速、减速等过程中，频繁出现燃料电池电压的显著变化。结果，催化剂更迅速地劣化，从而减小燃料电池的耐久性。具体地，这样的电压变化对阴极比对阳极具有更大的作用；因此，在阴极中催化剂颗粒的增长、溶解和聚结以更显著的程度发生，从而降低燃料电池的性能。

以上在该背景技术部分中公开的信息仅用于增强对本发明的背景的理解。

发明内容

本发明提供用于燃料电池电极的组合物，以及使用它制造膜电极组件的方法，所述燃料电池电极包括碳纳米管、铈-锆氧化物颗粒、合金催化剂和铂团块(agglomeration)。碳纳米管的加入有助于增强电极的机械强度，其提高燃料电池电极的性能和耐久性，也减少所需的铂的量，其降低制造成本。铈-锆氧化物颗粒的加入有助于防止因反应副产物而腐蚀聚合物电解质膜。通过使第二金属(例如Ir、Pd、Cu、Co、Cr、Ni、Mn、Mo、Au、Ag、V等)与铂形成合金所制备的合金催化剂的加入起到防止电极内铂的溶解、迁移和聚结。

一方面，本发明提供一种包括四元合金催化剂的燃料电池电极，所述四元合金催化剂通过在碳载体(support)上担载大小为约1至约100nm的铈-锆氧化物颗粒并在碳载体上担载铂和大小为约1至约100nm的第二金属来制备。在另一实施方式中，四元合金催化剂通过在碳载体上担载大小为1至100nm的铈-锆氧化物颗粒并在碳载体上担载铂和大小为1至100nm的第二金属来制备。

另一方面，本发明提供一种包括二元合金催化剂和铈-锆氧化物颗粒的混合物的燃料电池电极，所述二元合金催化剂通过在碳载体上担载铂和第二金属来制备，所述铈-锆氧化物颗粒具有约1至约100nm的大小。在另一实施方式中，铈-锆氧化物颗粒具有1至100nm的大小。

又一方面，本发明提供一种包括二元合金催化剂和铈-锆氧化物颗粒的混合物的燃料电池电极，所述二元合金催化剂通过在碳载体上担载铂和第二金属来制备，所述铈-锆氧化物颗粒具有约1至约100nm的大小且担载在碳载体上。在另一实施方式中，铈-锆氧化物颗粒具有1至100nm的大小。