[发明专利]具有高当量重量离子交联聚合物的单元化电极组件

说明书

背景

用于燃料电池的单元化电极组件(UEA)包括阳极、阴极以及在阳极和阴极之间的电解质。在一个实施例中，将氢气提供给阳极，并且将空气或纯氧气提供给阴极。然而，认可可以使用其它类型的燃料和氧化剂。在阳极，阳极催化剂导致氢气分子分裂成质子(H⁺)和电子(e^-)。质子穿过电解质到达阴极同时电子经过外部电路行进到阴极，从而导致电流的产生。在阴极，阴极催化剂导致氧气分子与来自阳极的质子和电子发生反应而形成水，所形成的水从该系统中除去。

阳极催化剂和阴极催化剂通常包含被负载的铂原子。铂是高成本的贵金属。人们已进行了许多研究以减小阴极中的铂负载量，从而降低制造成本。另外，人们已进行了研究以改善铂氧气还原阴极中的氧气还原的动力学并减小电势的损失，从而提高燃料电池的效率。

发明内容

用于燃料电池的催化剂层包含催化剂纳米粒子和全氟磺酸(PFSA)离子交联聚合物。催化剂纳米粒子具有钯或钯合金核以及在该钯或钯合金核外表面上的原子级薄层的铂。PFSA离子交联聚合物具有等于或大于约830的当量重量。还描述了一种单元化电极组件。

附图简述

图1是具有催化剂层的燃料电池重复单元的透视图。

图2a是具有离子交联聚合物和核-壳催化剂纳米粒子的图1的催化剂层的放大透视图。

图2b是图2a的一个核-壳催化剂纳米粒子的放大剖视图。

图3示出了形成图 2a的催化剂层的方法。

图4是在0.5伏下具有不同当量重量的离子交联聚合物和不同钯掺杂程度的三种电极的Koutecky-Levich图。

图5是在850毫伏下具有不同当量重量的离子交联聚合物和不同钯掺杂程度的三种电极的Koutecky-Levich图。

详述

本文中描述了一种用于燃料电池的催化剂层，该催化剂层包含具有等于或大于约830的当量重量的全氟磺酸(PFSA)离子交联聚合物以及核-壳催化剂纳米粒子。由于它们增强氧还原的活性并减小铂的使用量，因此人们正在研究将核-壳催化剂纳米粒子结构应用于燃料电池的催化剂层。核-壳催化剂纳米粒子的核是由钯或钯合金形成并且壳是由铂或铂合金形成。核-壳催化剂经历钯溶解和交换入膜内。在超过0.8伏(V)的电势下(本文中描述的所有电势都是在氢规模上)钯能够容易地溶解，并且在使用于燃料电池的期间，铂壳中的缺陷将使钯核暴露。当钯离子与质子交换而进入在催化剂粒子周围的离子交联聚合物时，改变了该离子交联聚合物的性质。如下面进一步描述的，当被钯污染时，本发明单元化电极组件(UEA)的离子交联聚合物显示很少的性质改变或者不显示性质改变。

燃料电池利用一个或多个燃料电池重复单元将化学能转变成电能。图1示出了一个示例性的燃料电池重复单元10的透视图，该燃料电池重复单元10包括单元化电极组件(UEA)12(具有阳极催化剂层(CL)14、电解质16、阴极催化剂层(CL)18、阳极气体扩散层(GDL)20和阴极气体扩散层(GDL)22、阳极流场24和阴极流场26。燃料电池重复单元10可以具有与阳极流场24和阴极流场26相邻的冷却剂流场。图 1中未示出冷却剂流场。

阳极GDL 20面对阳极流场24，阴极GDL 22面对阴极流场26。阳极CL 14位于阳极GDL 20和电解质16之间，阴极CL 18位于阴极GDL 22和电解质16之间。燃料电池重复单元10将被描述成接收氢燃料(即，氢气)和氧氧化剂(即，氧气或空气)。然而，也可使用其它燃料和氧化剂。

在操作中，阳极GDL 20经由阳极流场24接收氢气(H₂)。含有催化剂(例如铂)的阳极CL 14导致氢气分子分裂成质子(H⁺)和电子(e^-)。质子和电子行进到阴极CL 18；质子穿过电解质16到达阴极CL 18，同时电子穿过外部电路28，导致产生电功率。空气或纯氧气(O₂)经阴极流场26被提供给阴极GDL 22。在阴极CL 18，氧分子与来自阳极CL 14的质子和电子发生反应而形成水(H₂O)，然后所形成的水连同过量的热量被排出燃料电池10。