[发明专利]用于聚合物电解质燃料电池的复合电极层

说明书

一种聚合物电解质膜燃料电池，包括质子传导聚合物电解质膜、覆盖在聚合物电解质膜的第一面上的阳极催化剂层和覆盖在聚合物电解质膜的第二面上的阴极催化剂层。阳极催化剂层或阴极催化剂层中的至少一个包括复合电极层，该复合电极层包括胶体或可溶性离聚物粘合剂组分、与胶体或可溶性离聚物粘合剂组分一起分散的催化剂以及散布在整个复合电极层厚度上的不溶性离聚物纳米纤维。复合电极层中不溶性离聚物纳米纤维的存在可以提高燃料电池的电压性能，特别是在高电流密度和/或低相对湿度操作条件下。还公开了一种制造用于聚合物电解质膜燃料电池的复合电极层的方法。

引言

聚合物电解质膜(PEM)燃料电池是一种电化学装置，它将燃料和氧化剂气体的化学能转换成直流电和热能。燃料气体可以是氢气(H₂)，氧化剂气体可以是空气或氧气(O₂)。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)和一对气体扩散介质层。MEA包括质子传导固体聚合物电解质，其一侧支撑阳极催化剂层，另一侧支撑阴极催化剂层。气体扩散介质层设置在MEA的每一侧，双极板或端板形式的导电板设置在每个气体扩散介质层的外侧。在PEM燃料电池操作期间，氢气被输送到MEA的阳极催化剂层，空气或氧气被输送到阴极催化剂层。氢气在阳极催化剂层处被离解以产生质子和电子。质子通过质子传导固体聚合物电解质迁移到阴极催化剂层，电子通过外部电路被引导到阴极催化剂层进行工作。质子和电极最终到达阴极催化剂层，在那里它们与氧气反应生成水。在许多情况下，包括用于车辆推进应用，大量PEM燃料电池被布置在燃料电池堆中以获得增加的电压和功率输出。

PEM燃料电池MEA的阳极和阴极催化剂层中的每一个通常都包括分布在细分催化剂如铂周围、负载在高表面积碳载体上的胶体或可溶性离聚物。理想地设想为均匀分散的离聚物的功能是在催化剂层结构内实现质子传导。阳极和阴极催化剂层的这种构造通常在燃料电池的低电流密度和/或湿相对湿度操作条件下实施令人满意。然而，在于燃料电池的高电流需求期间发生的燃料电池的高电流密度和/或干相对湿度条件下，包括标准阳极和阴极催化剂层的PEM燃料电池倾向于遭受电池电压的有限损失。据信，这种有限电压损失的原因与MEA催化剂层，特别是阴极催化剂层中的结构和组成材料有关。据信，电池电压有限损失的一个具体原因是阴极催化剂层的质子传输电阻增加。更具体地说，阴极催化剂层的离聚物网络中的不均匀性被认为是导致贯穿阴极催化剂层厚度的质子传输路径损失的原因，该不均匀性源自离聚物的胶体或可溶形式。阳极催化剂层可能面临类似的挑战，尽管程度比阴极催化剂层小。

发明内容

根据本发明实施例的聚合物电解质膜燃料电池包括质子传导固体聚合物电解质膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层。聚合物电解质膜具有第一面和相对的第二面。阳极催化剂层覆盖在聚合物电解质的第一面上，阴极催化剂层覆盖在聚合物电解质的第二面上。另外，阳极催化剂层或阴极催化剂层中的至少一个包括复合电极层，该复合电极层包括胶体或可溶性离聚物粘合剂组分、催化剂和散布在整个复合电极层厚度上的不溶性离聚物纳米纤维，使得至少一些离聚物纳米纤维接触聚合物电解质膜。离聚物纳米纤维基于复合电极层的总重量以5-20的重量百分比存在于复合电极层中。

聚合物电解质膜燃料电池可包括附加特征或被进一步限定。例如，离聚物纳米纤维可以具有大于20的纵横比。作为另一个例子，至少一些离聚物纳米纤维可以由磺化含氟聚合物组成。此外，至少一些离聚物纳米纤维可以由具有聚四氟乙烯主链和终止于磺酸基团的全氟醚侧链的共聚物组成。并且，在一个特定实施例中，聚合物电解质膜燃料电池的阴极催化剂层包括复合电极层。在又一个实施方案中，复合电极层的胶体或可溶性离聚物粘合剂组分可包含磺化含氟聚合物。另外，复合电极层的催化剂可以包括负载在碳载体颗粒上的铂族金属纳米颗粒。作为又一实施例，至少一些离聚物纳米纤维从复合电极层的第一主面延伸到复合电极层的第二主面，从而完全穿过复合电极层的厚度。

聚合物电解质膜燃料电池还可以包括附加的结构特征。例如，燃料电池还可以包括覆盖在阳极催化剂层上的第一气体扩散介质层、覆盖在阴极催化剂层上的第二气体扩散介质层、覆盖在第一气体扩散介质层上并被配置为向阳极催化剂层输送氢气的第一导电流场板，以及覆盖在第二气体扩散介质层上并被配置为向阴极催化剂层输送氧化剂气体的第二导电流场板。