[發(fā)明專利]聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的電極和使用其形成膜電極組件的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010180495.2
• 申請日: 2010-05-14
• 公開（公告）號: CN102082275A
• 公開（公告）日: 2011-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃仁哲;權(quán)落顯;李在承
• 申請（專利權(quán)）人: 現(xiàn)代自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 北京尚誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11322
• 代理人: 龍淳;李巍

技術(shù)領(lǐng)域

本公開內(nèi)容通常涉及燃料電池的膜電極組件。更特別地，其涉及聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)的電極和使用其形成膜電極組件(MEA)的方法，其通過加入碳納米纖維提高燃料電池的物理耐久性，并通過加入自由基抑制劑提高燃料電池的化學耐久性。?

背景技術(shù)

通常，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)具有多種優(yōu)點，例如與其它類型燃料電池相比的高能量效率、高電流密度、高功率密度、短啟動時間、和對負荷變化的快速響應(yīng)。特別地，PEMFC對反應(yīng)氣體的壓力變化不那么敏感，并在多種范圍內(nèi)提供輸出。因此，PEMFC可用于多種用途，如零排放車輛的能源、獨立電廠、便攜式能源、軍用能源等。?

優(yōu)選地，PEMFC是利用氫與氧之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生的水發(fā)電的裝置。供給到PEMFC的陽極的氫通過催化劑離解為氫離子(質(zhì)子，H⁺)和電子(e^-)。氫離子通過電解質(zhì)膜傳輸?shù)疥帢O，電子傳輸?shù)疥帢O。此時，供給到陰極的氧與通過外部導(dǎo)體從陽極傳送到陰極的電子(e^-)、以及通過聚合物電解質(zhì)膜從陽極遷移到陰極的質(zhì)子(H⁺)反應(yīng)以產(chǎn)生水并產(chǎn)生電能。?

這里，理論電位為1.23V，反應(yīng)式如下：?

陽極：H₂→2H⁺+2e^-

陰極：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O?

在上述燃料電池系統(tǒng)中，充分發(fā)電的燃料電池組具有合適地堆疊幾個至幾十個單元電池的結(jié)構(gòu)，該單元電池各自包括膜電極組件(MEA)和隔板(也稱為雙極板)。?

燃料電池組的膜電極組件優(yōu)選具有如下結(jié)構(gòu)：陽極(也稱為氫電極、燃料電極或氧化電極)和陰極(也稱為空氣電極、氧電極或還原電極)合適地連接到插入其間的聚合物電解質(zhì)膜上，并且以如下方式?合適地形成陽極和陰極：使包括納米粒徑鉑催化劑顆粒的催化劑層合適地涂布在電極背襯層上，例如碳紙或碳布上。?

優(yōu)選地，如圖4的概念圖中所示，陽極和陰極各自包括催化劑(其中鉑適當?shù)刎撦d在碳上)和聚合物電解質(zhì)粘合劑，并形成厚度為大約1至50微米的催化劑層。?

此外，將氣體擴散層適當?shù)剡B接到陽極和陰極的每一個上，該氣體擴散層具有微孔隙并通過將炭黑顆粒涂布在電極背襯層(如碳紙或碳布)上而形成，以便均勻地將反應(yīng)物供給到膜電極組件。?

優(yōu)選地，氣體擴散電極可以用氟樹脂施以疏水處理，以便排出反應(yīng)副產(chǎn)物，如在陰極的催化劑層中電化學生成的水(H₂O)。?

同時，膜電極組件可優(yōu)選以如下方式形成：將催化劑層通過合適方法適當?shù)赝坎荚跉怏w擴散層上，隨后將包括催化劑層的氣體擴散層熱壓到電解質(zhì)膜上。或者，膜電極組件可以以如下方式形成：將催化劑層涂布在電解質(zhì)膜上，隨后將氣體擴散層粘結(jié)到其上。上述結(jié)構(gòu)中的氣體擴散層同時用作集電極。?

因此，燃料電池通過將氫供給到陽極并將空氣或氧供給到陰極以導(dǎo)致電化學反應(yīng)，從而生成高效率電能和反應(yīng)副產(chǎn)物，如水。反應(yīng)物之間的電化學反應(yīng)優(yōu)選發(fā)生在燃料電池中包括的催化劑層中，并且該反應(yīng)產(chǎn)生的氫離子通過催化劑層中的聚合物電解質(zhì)(離聚物)和聚合物膜傳輸?shù)疥帢O，電子通過GDL和雙極板傳輸?shù)疥帢O。?

催化劑層的結(jié)構(gòu)適當?shù)赜呻姌O材料、其形成方法等決定。優(yōu)選地，電極材料包括適當?shù)刎撦d在碳上的鉑催化劑和聚合物電解質(zhì)(離聚物)，并且可以通過將催化劑層涂布在氣體擴散層上，通過將催化劑層直接涂布在膜上，或通過將催化劑層涂布在隔離紙上并隨后將催化劑層轉(zhuǎn)移到膜上而形成電極。?

存在許多類型的用于負載鉑的碳材料，如科琴黑、Vulcan?XC?72、乙炔黑、碳納米管等。?

這里，參照圖1至3描述形成膜電極組件的常規(guī)方法。如圖1所示，通過將催化劑漿料涂布、噴涂或涂刷在氣體擴散層上以適當?shù)匦纬呻姌O，隨后將包括氣體擴散層的電極熱壓到電解質(zhì)膜的兩面上。如圖2所示，通過將催化劑漿料直接噴涂、涂布或涂刷到聚合物膜上以?形成膜電極組件，隨后熱壓到氣體擴散層上。此外，如圖3所示，通過將催化劑漿料噴涂、涂布或涂刷在隔離紙上以形成電極，并轉(zhuǎn)移到聚合物膜上，并將包括催化劑層的聚合物膜粘結(jié)到氣體擴散層上。?

因此，在催化劑層在氣體擴散層上形成的情況下，盡管對孔隙形成而言是有利的，但形成膜電極組件并不容易，因此該方法不適于大規(guī)模生產(chǎn)膜電極組件。?