[發明專利]包含納米結構化薄催化層的電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201010180244.4
• 申請日: 2010-05-14
• 公開（公告）號: CN101887977A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: C·紀;M·狄奧瓜迪
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/94
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 曹小剛;李連濤

技術領域

本發明總的來講涉及用于燃料電池的電極，特別涉及包含納米結構化薄催化層的電極，及其制備方法。

背景技術

電化學轉化電池，通常稱作燃料電池，通過處理反應物(例如通過氫和氧的氧化還原)產生電能。典型的聚合物電解質燃料電池包括在兩側上都具有催化劑層的聚合物膜(例如質子交換膜(PEM))。該涂覆有催化劑的PEM位于一對氣體擴散介質層之間，陰極板和陽極板位于該氣體擴散介質層的外部。將所述部件壓縮以形成該燃料電池。

目前廣泛使用的燃料電池電催化劑是負載在碳載體上的鉑納米顆粒。根據該催化劑和負載量，用該碳負載的鉑催化劑制備的電極正常情況下具有從幾微米到約10或20微米的厚度，孔隙率從30％到80％變化。這些碳負載催化劑的一個缺點是在某些燃料電池操作條件下碳具有差的防腐蝕性，這導致快速的性能退化。

該催化劑層能夠由納米結構化薄載體材料制成。該納米結構化薄載體材料之上具有催化劑的顆粒或薄膜。該納米結構化薄催化層能夠使用公知方法制備。美國專利號4,812,352、4,940,854、5,039,561、5,175,030、5,238,729、5,336,558、5,338,430、5,674,592、5,879,827、5,879,828、6,482,763、6,770,337和7,419,741和美國公開號2007/0059452、2007/0059573、2007/0082256、2007/0082814、2008/0020261、2008/0020923、2008/0143061和2008/0145712中描述了用于制備納米結構化薄催化層的方法的一種實例，此處通過引用結合進來。基本方法包括將材料沉積在基底(例如聚酰亞胺)上，以及將該經沉積的材料退火以形成納米結構化載體元件(稱作晶須)的層。能夠用于制備該納米結構化載體元件的材料的一種實例是“苝紅”(N，N’-二(3，5-二甲苯基)苝-3，4，9，10雙(二羧酰亞胺))(可以商品名稱“C.I.PIGMENT?RED?149”商購自American?Hoechst?Corp.of?Somerset，N.J.)。然后將催化劑材料沉積在納米結構化載體元件的表面上以形成納米結構化薄膜(NSTF)催化劑層，其可獲自3M。

能夠使用例如熱壓層壓工藝將該納米結構化薄催化層直接轉移到質子交換膜，例如Nafion膜。然后將該聚酰亞胺基底剝落，從而保留晶須層附著到該膜上。

這些類型的納米結構化薄催化層已經證明具有高催化活性，其有助于降低燃料電池堆中的鉑用量。最重要的是，因為該載體層并不是如用于燃料電池應用的傳統鉑催化劑中那樣由碳制成的，因此該納米結構化薄催化層在某些燃料電池操作條件下更具防腐蝕性，因此改進了該燃料電池的耐久性。

然而，在完成該退火工藝之后，在該聚酰亞胺基底的表面處保留殘余的未結晶苝紅的薄層。因此，當將該晶須轉移到該PEM中并將該聚酰亞胺基底剝落時，過去與該聚酰亞胺基底相鄰的該晶須的表面暴露出來并成為該膜電極組件(MEA)的表面。因此，原來與該聚酰亞胺基底相鄰的該殘余的未結晶苝紅背層暴露出來。這能夠不利于該燃料電池的操作，因為其能夠堵塞水和氣體進入和離開該電極。

此外，為提供良好的性能，由這種類型的晶須催化劑層制備的MEA具有窄的操作條件范圍(即其不能過干或過濕)。如果該燃料電池在濕條件下操作，厚度小于1μm的該晶須的薄層不能為該產物水提供足夠的儲存容量，從而導致溢流。在干條件下，相信由于差的質子轉移特征因而沒有使用所有部分的晶須以催化該反應。