[发明专利]具有传导网状物的燃料电池电极

说明书

美国政府权利

依据DOE颁布的Cooperative Agreement DE-FG36-07GO17006，在政府资助下创造本发明。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明整体涉及燃料电池和/或燃料电池子组件，以及用于制造燃料电池和/或燃料电池子组件的方法。

背景技术

燃料电池是从空气中结合氢燃料和氧气以产生电、热和水的电化学装置。燃料电池不利用燃烧，并产生少量的危害性排出物(如果有的话)。燃料池将燃料气体直接转化为电，并可按照比许多其它类型的发电机高得多的效率工作。

通常的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括离子传导膜(PEM)，其中阳电极设置在所述离子传导膜的一侧并且阴电极设置在所述离子传导膜的另一侧。氢在阳电极被还原为氢离子和电子。电子提供电流以驱动外部负载，并且氢离子穿过所述膜。在阴电极，氧气与氢离子结合以形成作为副产物的水。燃料电池的操作部分取决于气体、液体、电子和离子穿过形成MEA层的材料的传送程度。

发明内容

本发明中描述的实施例涉及一种燃料电池电极层，其包括催化剂、电子导体和离子导体。在所述电极层中具有多个富含电子导体的网状物和多个富含离子导体的网状物，所述富含离子导体的网状物散布于所述富含电子导体的网状物中。与所述富含电子导体的网状物相比，在所述富含离子导体的网状物中的所述离子导体与所述电子导体的体积比较大。在包括所述电极层的燃料电池的工作过程中，电子的传导主要发生在所述富含电子导体的网状物中，并且离子的传导主要发生在所述富含离子导体的网状物中。

在一些具体实施中，所述离子导体可包括离子导电聚合物的喷雾干燥的粒子。所述离子导电聚合物可包括例如全氟化磺酸(PFSA)和/或全氟化亚氨酸(PFIA)和/或烃。许多粒子，并且在一些实施例中，大部分所述粒子可为具有基本平滑的外表面的中空的球状体。例如，大部分所述粒子可具有大于50nm的直径或在约1μm至约15μm的范围内的直径。

在一些具体实施中，所述电子导体可为催化剂涂覆的电子导体粒子，例如，铂涂覆的碳。作为另外一种选择，所述催化剂可设置在支承元件(诸如纳米结构化支承元件)上而非所述电子导体上。所述电子导体可包括碳、氧化锡和二氧化钛的一个或多个。所述催化剂可为铂、钯、双金属、金属合金和碳纳米管的一个或多个。例如，所述溶剂可包括水、一元醇和/或其它烃。

所述离子导体可包括第一离子导电聚合物的粒子，并且所述电极层可还包括第二离子导电聚合物的粒子。根据一些方面，所述第一离子导电聚合物具有第一当量重量并且所述第二离子导电聚合物具有第二当量重量。大部分所述第二离子导电聚合物的粒子可具有小于约50nm的直径，并且大部分所述第一离子导电聚合物的粒子可具有大于约50nm或者大于约1μm的直径，或者具有约3.5μm的直径。在一些具体实施中，所述第二离子导电聚合物的粒子在电子导体上形成膜，并且所述第一离子导电聚合物的粒子包括所述离子导体的大部分体积。具有大于约1μm直径的所述第一离子导电聚合物的粒子可基本形成所述离子传导网状物。

所述电极层可设置在燃料电池电解质膜上或气体扩散层上。所述电极层可设置在作为膜电极组件(MEA)的组分的燃料电池电解质膜的第一表面和第一气体扩散层之间。所述MEA还包括设置在所述电解质膜的第二表面和第二气体扩散层之间的第二电极层。所述第二电极层可以或可以不包括离子和电子网状物。所述燃料电池子组件可还包括分别被布置为靠近所述第一和第二气体扩散层的第一和第二流场板。多个MEA可被布置为形成燃料电池堆。

一种制造燃料电池电极层的方法，包括结合离子导体、电子导体、催化剂和溶剂，以形成电极油墨。所述离子导体包括平滑的、球状体粒子，例如，大部分所述粒子的直径大于约50nm或大于1μm，或者在约50nm至约15μm之间的范围内。所述电极油墨的所述离子导体、所述电子导体、所述催化剂和所述溶剂混合一段时间。所述电极油墨涂覆在基底上，并干燥以形成所述燃料电池电极层。

在一些电极油墨中，所述电子导体涂覆有催化剂。一些电极油墨包括被设置在支承结构上而非电子导体上的催化剂。例如，所述支承结构可为纳米结构化支承体。

可通过在燃料电池电解质膜上涂覆电极油墨来形成一种燃料电池催化剂涂覆的膜(CCM)。所述电极油墨可替代性地或额外地被涂覆在燃料电池气体扩散层上。