[发明专利]纳米结构的PEMFC电极

说明书

提供了一种纳米结构的PEMFC电极。一种用于燃料电池的电极包括：催化剂层，与气体扩散层和质子交换膜相邻，并且包括不含离聚物的负载有活性金属的碳纳米结构和不含活性金属的涂覆有离聚物的碳纳米结构，布置为限定其间的孔以促进燃料电池中的反应物气体和产物的传输。

技术领域

本公开涉及燃料电池电极及其生产方法。

背景技术

诸如质子交换膜燃料电池(PEMFC)的燃料电池由于零排放产生和提高的能源安全性而代表有吸引力的电源。每种燃料电池的主要组件之中有两个电极和离子导电电解质。电极的设计需要材料和生产工艺的精细优化，以确保气体、电子和质子的好的传导性，使得所得电极是高效的、不易于液泛(flooding)并且在使用期间不过度劣化。为了改善其催化功能，期望将氧化还原反应(ORR)催化剂包括到阴极上。然而，催化剂会是昂贵的。

发明内容

在至少一个实施例中，公开了一种用于燃料电池的电极。所述电极包括与气体扩散层和质子交换膜邻近的催化剂层。催化剂层可以包括不含离聚物的负载有活性金属的碳纳米结构和不含活性金属的涂覆有离聚物的碳纳米结构，所述不含离聚物的负载有活性金属的碳纳米结构和所述不含活性金属的涂覆有离聚物的碳纳米结构布置为限定它们之间的孔，以促进反应物气体和产物水在燃料电池中的传输。碳纳米结构可以是多壁碳纳米管。活性金属可以是铂或者包括两种或三种不同金属的铂合金。离聚物可以是全氟磺酸。离聚物可以在每个离聚物涂覆的碳纳米结构的表面上形成连续的涂层。催化剂层的活性金属的负载量可以是大约3wt.％至60wt.％。离聚物与碳纳米结构的比例可以是大约5:1至1:5。

在另一实施例中，公开了一种燃料电池单元。所述单元可以包括双极板、与所述双极板邻近的气体扩散层、质子交换膜和催化剂层。催化剂层可以夹在气体扩散层与质子交换膜之间。催化剂层可以包括不含离聚物的负载有活性金属的碳纳米结构和离聚物涂覆的不含活性金属的碳纳米结构的混合物。碳纳米结构可以包括纳米管、纳米纤维或者纳米管和纳米纤维两者。碳纳米结构可以限定位于其间的空的空间。离聚物可以是质子导电聚合物。活性金属可以是铂或铂合金。碳纳米结构的长度可以是大约0.2μm至30μm。碳纳米结构的外直径可以是大约10nm至300nm。

在又一实施例中，公开了一种形成燃料电池电催化剂的方法。所述方法可以包括在第一多个碳纳米结构上沉积活性金属。所述方法还可以包括在第二多个碳纳米结构上涂覆离聚物溶液。所述方法还可以包括将所述第一多个碳纳米结构和所述第二多个碳纳米结构混合以形成油墨。所述方法可以包括将油墨施用到质子交换膜上以形成燃料电池电催化剂。可以通过物理气相沉积来沉积活性金属。所述方法还可以包括将第二多个碳纳米结构与离聚物溶液混合并且在将第一多个碳纳米结构和第二多个碳纳米结构混合之前将离聚物涂覆的第二多个碳纳米结构干燥。离聚物溶液与碳纳米结构的比可以是大约5:1至1:5。形成的电催化剂中的铂负载量可以是大约0.03mg/cm²至0.3mg/cm²。在将所述第一多个碳纳米结构和所述第二多个碳纳米结构混合以形成油墨之前，可以将所述第一多个碳纳米结构和所述第二多个碳纳米结构各自分散在水和乙醇的混合物中以形成单独的悬浮液。

附图说明

图1描绘了根据一个或更多个实施例的示例燃料电池单元的分解示意图；

图2描绘了具有催化剂层的现有技术的燃料电池电极的示意图；

图3描绘了根据一个或更多个实施例的具有包括两种类型的纳米结构的催化剂层的燃料电池电极的示意图；

图4示出了具有包括多个子层的催化剂层的燃料电池电极的可选择的实施例。

具体实施方式