[发明专利]具有梯度催化剂结构的燃料电池电极

说明书

本公开的背景

本公开涉及稳定电极结构，并且更特别地涉及用于燃料电池的稳定高活性催化剂。

燃料电池是众所周知的，并且用于生成电力。例如，燃料电池通常包括阳极电极，其包括阳极催化剂。阳极催化剂通常被承载于载体材料比如碳上。阴极电极包括被承载的阴极催化剂。电解质被配置在阳极电极与阴极电极之间，用于在电化学反应中生成电流，所述电化学反应由通过气体扩散层(GDL)供给的氧化剂和燃料维持，所述气体扩散层(GDL)通常面对处于膜表面相反侧的电极表面。一种示例电解质是质子交换膜(PEM)。

与燃料电池相关联的一个问题是电极催化剂的电化学表面面积(ECA)的损失以及燃料电池性能的相应损失。该ECA损失关联于数个关键因素：奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald Ripening)、铂溶解/沉积和关联于碳腐蚀的铂结团。另外，该ECA损失被在典型汽车和巴士驾驶周期中遇到的燃料电池电位(potential)循环的操作效果加剧。

迄今，对该问题的最有益解决方案是在操作以及启动和停机期间控制电池内的反应物环境和燃料电池电位极限(例如，见6,835,479“SYSTEM AND METHOD FOR SHUTTING DOWN A FUEL CELL POWER PLANT”)。所需的是一种稳定电极结构，并且更特别是用于燃料电池的稳定高活性催化剂。

发明内容

稳定电极结构的一个示例为使用梯度(gradient)电极，其在被承载于常规碳上的膜的紧邻区域中采用大铂颗粒催化剂，并在电极的更靠近被承载于稳定碳上的GDL的部段中采用小铂颗粒。有助于电极性能稳定以及降低ECA变化的一些电极参数为铂-碳比、电极的各个部分中的铂颗粒的尺寸、其它稳定催化剂而不是大颗粒尺寸铂(合金等)的使用、每个梯度子层的深度。

稳定电极结构的另一示例为在碳载体上使用混合的铂颗粒尺寸，比如使用可以为6纳米和3纳米的铂颗粒。可用于本公开的导电载体通常为一种或多种碳黑。它们可以是炉黑、灯黑、乙炔黑、槽法碳黑、热碳黑或类似物。碳载体可以是：常规碳，比如XC72(Cabot公司)，其典型表面面积为～240m²/g(平方米每克)；或稳定碳，比如石墨化其表面面积为～80m²/g。

附图说明

可通过参考以下详细描述在结合附图考虑时来进一步理解本公开，附图中：

图1是一示例燃料电池的示意图。

图2A是一示例电极组件的一部分的示意图。

图2B是另一示例电极组件的一部分的示意图。

图3是曲线图，对于采用处于润湿状态的梯度催化剂的燃料电池示出了在150小时耐久性循环后的性能损失。

图4是曲线图，示出了在150小时耐久性循环后与具有均匀填充度的催化剂相比采用梯度催化剂的燃料电池的性能损失。

具体实施方式

图1示意性地示出了燃料电池10，其具有阳极板12和阴极板14，它们配置在组合式电极组件24的两侧。组合式电极组件24包括具有配置在阳极催化剂22与阴极催化剂23之间的质子交换膜20的膜电极组件18，并且还包括阳极气体扩散层26和阴极气体扩散层27。

反应物源30，其可以提供比如氢等燃料，将反应物供给至阳极板12。氧化剂源32，比如空气，被提供至阴极板14。膜电极组件18内的电化学反应提供穿过负载28的电流，如本领域公知的。

参考图2A，示出了一示例阳极催化剂22。应该明白的是：可以类似地构造阴极催化剂23。阳极催化剂22由一个层或多个层提供，其至少包括第一和第二层34、36。每个层包括混合物，所述混合物包括离聚物(ionomer)、导电性载体材料(support material)和催化剂颗粒。离聚物在一个示例中为催化剂颗粒尺寸在每个层中是不同的。在该示例中，第一层34配置为相邻于质子交换膜20，而第二层36配置为相邻于气体扩散层26。