[发明专利]制造用于燃料电池的膜-电极组件的电极的组合物和方法

说明书

本文描述了制造用于燃料电池的膜‑电极组件的电极的组合物和方法。更具体地，本文中所描述的是用于制造用于燃料电池的膜‑电极组件的电极的组合物和用于制造包括其的用于燃料电池的膜‑电极组件的电极的方法，该组合物可以通过混合具有比第一碳更低的结晶度的第二碳和向电极施加电压来仅去除第二碳从而改善电极中的孔隙率并由此改善反应气体的质量传输能力。

技术领域

本公开内容涉及用于制造用于燃料电池的膜-电极组件的电极的组合物。

背景技术

本部分中的陈述仅仅提供与本公开内容相关的背景信息并且可能并不构成现有技术。

最常用的车辆用燃料电池是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。对于聚合物电解质膜燃料电池而言，为了在各种驱动条件下正常地施加至少几十千瓦的高功率，它们会在较宽的电流密度范围内稳定地工作。

为了满足燃料电池所需的功率水平，燃料电池以通过层压单元电池所组装的堆叠形式来使用。聚合物电解质膜燃料电池的每个单元电池包括膜电极组件(称为“MEA”)，其包括能够移动质子的聚合物电解质膜和附接到聚合物电解质膜的相对表面的电极、用于将反应气体(活性气体，reactive gas)(诸如燃料气体和氧化气体)供应到膜电极组件并传输生成的电能的气体扩散层(GDL)、用于维持反应气体和冷却剂的气密性的垫圈、用于维持适当的紧固压力的紧固构件、以及用于移动反应气体和冷却剂的双极板(BP)。将多个电池进行堆叠，并且将用于支撑电池的端板偶联到堆叠电池的最外端。

燃料电池生成电的电化学反应发生在MEA中，其包括基于全氟化磺酸(PFSA)离聚物的膜和电极对，即阳极/阴极。一般地，燃料电池电动车辆所用的电极包括引发燃料电池反应的Pt催化剂和碳载体和连接这些Pt催化剂和碳载体的离聚物粘合剂。全氟化磺酸一般还用作电极的离聚物粘合剂。

燃料电池的电化学反应将会如通过以下反应方案1所描绘的那样来发生。供应到氧化电极(即燃料电池的阳极)的氢通过氢氧化反应(HOR)溢出质子和电子。质子通过膜移动到还原电极(即阴极)，而电子通过外部电路移动到阴极。如反应方案2所描绘的那样，质子和电子通过阴极处的氧还原反应(ORR)与外部供应的氧气反应以产生电和热并同时产生作为副产物的水：

[反应方案1]

H₂→2H⁺+2e^-，E^o＝0.000V(相对于SHE) [1]

[反应方案2]

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O，E^o＝1.229V(相对于SHE) [2]

其中E^o代表标准电极电势并且SHE代表标准氢电极。

将显示燃料电池的电化学性能的区域分成三个区域。第一是由电化学反应速率损失引起的“活化损失”区域，第二是由增大的每个元件的界面处的电接触电阻和聚合物电解质膜的离子电阻导致的“欧姆损失”区域，并且第三是由反应气体的有限质量传输能力引起的“质量传输损失(mass transport loss)”或“浓度损失”区域。

其中，质量传输损失会影响燃料电池的高电流密度区域的性能并具有各种起因。例如，当通过电化学反应所产生的水以适当的量存在于电极中时，水会维持MEA的增湿。然而，如果没有适当地去除过量的水，则可能会发生溢流。溢流的水阻碍了反应气体有效地供应到燃料电池中，从而通过质量传输损失引起电压损失。

已经提出通过引入垂直定向排列的碳纳米管(VACNT)作为Pt催化剂的载体来改善反应气体的扩散的其他常规技术。然而，由于额外的制造工艺和复杂的过程，这些方法可能与增加的制造成本和大规模生产的不适合性相关联。