[发明专利]气体扩散电极

说明书

发明领域

本发明涉及用于电化学电池的气体扩散电极。该电极包括与具有特殊组成的催化剂层相接触的多孔电极体。

发明背景

气体扩散电极用于电化学电池中，以产生高电流密度。电极的多孔性有利于更有效地利用气体反应剂，并更有效地排出能够产生电能的电化学反应中的产物。

燃料电池使用酸性聚合物电解质膜，并在阳极消耗燃料(如氢或甲烷)，在阴极消耗氧化剂(氧气或空气)，当在该燃料电池上施加负载时，其在外电路中产生净电流。对于燃料电池，在多孔气体扩散电极中发生的电化学过程可描述如下。在阳极，将氢气送入电极的扩散基底，并进入催化剂层，双原子氢在此解离，形成质子和电子。电子在外电路中流动。质子在阳极中迁移，跨过催化剂层与邻近聚合物电解质之间的界面，然后在膜两边穿梭，参与阴极处的反应。所述膜将电池分为两半，并只允许质子透过。在阴极处，将空气(或任何氧源)送入电极的扩散基底，并由此进入催化剂层，双原子氧在此接受由外电路来的电子而被还原，并随后与质子反应形成水，水可为液态或气态的，这取决于电池的操作条件。

常规燃料电池电极通常在高温(90℃)下使用，这是因为产生有用能量的电化学反应的速率随着温度而增加。但是，在此等系统中，维持高温所需的额外热量必须由加热器供给，而该加热器需要从燃料电池中吸走寄生能量。这明显地降低了净能量输出(最多可降低20％)。更理想的电极即使在25-50℃下运行时也能够提供高的电流密度，电化学反应单独产生的剩余热即可维持该温度范围。

可实际使用并可被接受的燃料电池应可以在环境空气下有效地运行。需要提供加压空气(更糟糕的是需要提供纯氧)以实现高效率是许多已知电极和燃料电池的主要缺陷。为利用环境空气，阴极必须能够用含约20％氧气的气流运行，气流中其余的最好是惰性稀释气体(主要是氮气)。高孔性电极的使用能够使电极耐受相对较大体积的氮气。本领域中克服由于使用仅含20％反应剂的气流造成的效率低下的一种方法是增加压力。更高的压力可增加电极表面处的反应剂有效浓度，这又会增加电化学反应的速率。较高压力也有利于反应剂向催化剂表面的扩散。该方法的缺陷是压缩机增加了燃料电池的重量和体积，而且降低了其质量能量密度和体积能量密度。

为使电解质有效地运行，其在发生电化学反应的同时必须被水合。当电池在高温和/或压力下运行时，很难维持水合反应；水会被从电解质中蒸发掉。其结果是，本领域的许多电池需要外界的加湿作用，以在合理的能量水平下提供稳定和有效的运行。

所有这些系统--加热器、水合器、和压缩机--都增加了燃料电池的重量和体积，减少了其能量密度，并增加了其复杂性。因此，有效的且可实际使用的燃料电池的重要特征是：(1)它可以使用环境空气作为氧源；(2)它在环境温度和压力下是有效的，即、它不需要外界的加热和增压作用；和(3)它无需外界加湿气体也能够运行。本发明的多孔气体电极使得电池的构造符合所有这些要求。

发明简述

在一方面中，本发明涉及一种多孔气体扩散电极，其包括：(a)导电性多孔电极体，(b)与该电极体电性接触的催化剂层，所述催化剂层包括(ⅰ)分散在碳载体表面上的催化剂；(ⅱ)非水溶性磺化聚苯乙烯、磺化聚(α-甲基苯乙烯)或者磺化苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)嵌段共聚物；以及(ⅲ)非离子性氟碳聚合物。优选的磺化聚苯乙烯、聚(α-甲基苯乙烯)和SEBS具有0.04 S/cm或更大的导电率，30000-1000000的分子量，以及磺化率为10-60mol％。在此所用术语“非水溶性”是指聚合物电解质的水溶解度在23℃时低于15重量％。在更优选的实施方案中，磺化聚苯乙烯是分子量为200000-400000的25-45mol％磺化聚苯乙烯。非离子性氟碳聚合物可从以下组中选择：聚(四氟乙烯)、聚(1,1-二氟乙烯)、聚(四氟乙烯-六氟丙烯)、聚(六氟氧化丙烯)、和聚(四氟乙烯-六氟氧化丙烯)。优选粒径为0.05-500μm。催化剂从以下组中选择：铂、钯、以及铂和钯与第Ⅷ组金属的二元和三原混合物以及合金。优选的催化剂是Pt、Pd、Pt-Ru、和Pt-Co-Cr。