[發(fā)明專利]用離子液體添加劑增強PEM燃料電池電極的催化劑活性

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• 申請日: 2019-02-15
• 公開（公告）號: CN110197906A
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發(fā)明（設計）人: A·康卡納得;V·雅拉加達
• 申請（專利權）人: 通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92;H01M8/1018;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 林偉峰

一種形成用于聚合物電解質膜(PEM)燃料的含催化劑電極層的方法涉及用包含離子液體添加劑和載體溶劑的液體添加劑組合物滲透電極層。然后干燥電極層以除去載體溶劑并將離子液體添加劑沉積在電極層內。離子液體添加劑可以是離子液體的有機陽離子、離子液體的有機陰離子、或離子液體的有機陽離子和有機陰離子兩者。在已經(jīng)形成了其離子液體添加劑內部負載的電極層之后，就可以組裝聚合物電解質膜燃料電池，使得電極層構成聚合物電解質膜燃料電池的負極層或正極層。

引言

聚合物電解質膜燃料(PEM)電池是將還原劑和氧化劑氣體的化學能轉換成直流電和熱的電化學裝置。還原劑氣體可以是氫氣(H₂)，氧化劑氣體可以是空氣或氧氣(O₂)。聚合物電解質膜燃料電池包括膜-電極-組件，燃料電池的電化學反應在其中發(fā)生。膜-電極-組件包括質子傳導固體聚合物電解質，其將負極層支撐在一側上，將正極層支撐在另一側上。氣體擴散介質層設置在膜-電極-組件的每一側上，并且雙極板或端板形式的導電板設置在每個氣體擴散介質層的外側。在聚合物電解質膜燃料電池運行期間，氫氣被輸送到膜-電極-組件的負極層，空氣或氧氣被輸送到正極層。氫氣在負極層被解離以產生自由質子和電子。質子通過質子傳導固體聚合物電解質遷移，電子被引導到電解質周圍并穿過外部負載以進行工作。質子和電子最終到達負極層并在該處與氧反應產生水。在許多情況下(包括用于車輛推進應用)，將多個聚合物電解質膜燃料電池布置到燃料電池堆中以獲得增加的電壓和功率輸出。

聚合物電解質膜燃料電池膜-電極-組件的負極層和正極層中的每一個在常規(guī)情況下包括分散在離聚物粘合劑中的催化劑。催化劑通常包括加載到高表面積碳催化劑載體上的細粒催化劑納米顆粒。催化劑顆粒可以是鉑族金屬的納米顆粒(例如鉑)、或鉑族金屬合金的納米顆粒(例如鉑-鈷)；僅舉幾個常見的例子。承載催化劑顆粒的碳催化劑載體可以是高表面積碳結構如炭黑顆粒、活性炭顆粒、碳納米管、碳納米籠、以及其它。目前，燃料電池電極層的催化劑含量代表了與聚合物電解質膜燃料電池的制造相關的最大成本，特別是因為對于含鉑催化劑而言每個電極層的催化劑納米顆粒的負載量通常為0.1mgPt/cm²至1.0mgPt/cm²。因此，尋找降低負極和正極層中的一者或兩者的催化劑含量的方法可有助于降低成本并改善依賴于聚合物電解質膜燃料電池向車載電動機供給電流的車輛動力傳動系統(tǒng)的商業(yè)可行性。

已經(jīng)探索了減少聚合物電解質膜燃料電池電極層中的催化劑用量——特別是鉑催化劑用量的多種方法。這些努力已經(jīng)開始著重于改善在正極層促進的氧還原反應的動力學，原因是在正常聚合物電解質膜染料電池工作條件期間電化學半反應通常比在負極層處促進的氫氧化反應慢。例如，將鉑與一種或多種過渡金屬元素合金化并形成鉑皮或核-殼納米結構僅僅是作為通過優(yōu)化催化劑納米顆粒和氧之間的相互作用來改善催化劑活性的途徑而研究的一些概念。這些和其他納米技術的進展已經(jīng)有不同程度的實驗成功，但不一定是商業(yè)上的成功。一直需要開發(fā)新的和有效的方法來提高催化劑活性和燃料電池電壓性能，以便最終可以在負極和正極層中的一者或兩者中使用較低的催化劑量。

發(fā)明內容

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，形成用于聚合物電解質膜燃料電池的含催化劑電極層的方法包括幾個步驟。在一個步驟中，將電極墨組合物層施加到基材表面上。電極墨組合物包含離聚物和溶解或分散在分散溶劑中的催化劑。在另一步驟中，干燥電極墨組合物層以在基材上形成厚度范圍為2μm至20μm的電極層。在又一步驟中，用包含離子液體添加劑和載體溶劑的液體添加劑組合物滲透電極層。并且，在再一步驟中，在電極層已經(jīng)滲透有液體添加劑組合物之后干燥電極層以除去載體溶劑并將離子液體添加劑沉積在電極層內。

該方法可以進一步包括組裝包含電極層的聚合物電解質膜燃料電池的附加步驟。聚合物電解質膜燃料電池包括被夾在構造成接收氫氣的負極層和構造成接收氧氣的正極層之間的質子傳導固體聚合物電解質膜、覆蓋負極層的第一氣體擴散介質層、覆蓋正極層的第二氣體擴散介質層、覆蓋第一氣體擴散介質的第一導電流場板、以及覆蓋第二氣體擴散介質的第二導電流場板。電極層可以構成負極層或正極層。