[發明專利]燃料電池電極、燃料電池的膜電極組件及其制造方法

在審

• 申請號: 202011255114.2
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112803029A
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 禹熙晉;金俊佑;金俊泰;黃智皙
• 申請（專利權）人: 現代自動車株式會社;起亞自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王璇;崔龍鉉

本公開涉及一種燃料電池電極、燃料電池膜電極組件及其制造方法，其中通過在電極層和催化劑層之間形成離聚物層來制造電極，并且將抗氧化劑分散到電極的催化劑層和電解質膜的離子交換層中，以改善電極和電解質膜之間的界面接合力，使用轉印工藝將電極與電解質膜接合，電極和電解質膜的耐久性得到改善。

技術領域

本公開涉及一種燃料電池電極、包括燃料電池電極的燃料電池的膜電極組件及其制造方法，其中該電極和電解質膜之間的界面接合力得到改善，可以使用轉印工藝(transfer process)將電極與電解質膜接合，并且電極和電解質膜的耐久性得到改善。

背景技術

燃料電池是電化學裝置，該電化學裝置通過作為反應物的氫和氧之間的化學反應產生電力。其中，與其他燃料電池相比，使用質子可滲透的聚合物膜作為電解質的聚合物電解質膜燃料電池是具有高電流密度的大功率燃料電池。聚合物電解質膜燃料電池包括幾個元件，即，發生電化學反應的膜電極組件(MEA)，作為將反應氣體均勻地擴散到MEA表面的多孔介質的氣體擴散層(GDL)以及支撐MEA和GDL、運輸反應氣體和冷卻水、收集產生的電力并傳輸該電力的分離板(bipolar plate)等。將幾十或幾百個這些元件堆疊，從而形成燃料電池堆。

特別地，通過制造電極單元來制造膜電極組件，其中每個電極單元通過在電極層上形成催化劑層，然后將陰極(cathode)單元和陽極(anode)單元轉印到電解質膜的兩個表面來制造。膜電極組件的電解質膜使用離子交換材料傳導質子。通過電解質膜的離子交換材料，陰極的氧離子移動到陽極，而陽極的質子移動到陰極。然而，氫和氧在電解質膜和陰極之間的界面處相遇，從而生成過氧化氫(H₂O₂)。過氧化氫分解成羥基自由基、氫過氧自由基等，從而使電解質膜劣化。

為了解決這種問題，以往提出了通過向電解質膜添加催化劑和抗氧化劑以防止在電解質膜與陰極之間的界面處生成自由基而形成的聚合物電解質膜。然而，當由于由過氧化氫產生的自由基而電解質膜開始劣化時，電解質膜中包含的催化劑會加速這種化學劣化。另外，由于催化劑引起電解質膜的劣化，自由基不能有效地去除，因此上述聚合物電解質膜對耐久性的改善沒有很大的貢獻。

另外，電解質膜中包含大量的抗氧化劑，因此，難以使用轉印工藝將電極與電解質膜接合。這是因為，離聚物層中包含的過量的抗氧化劑降低了離聚物的分布并且與電極的接觸相對減少。因此，電極未能適當地轉印到離聚物層上，從而發生接合不良。

發明內容

本公開旨在解決與現有技術相關聯的上述問題，并且本公開的目的是提供一種燃料電池電極，在該電極中離聚物層形成在電極層和催化劑層之間以改善電極的耐久性。

本公開的另一個目的是提供一種燃料電池的膜電極組件，該燃料電池的膜電極組件包括電極與電解質膜之間的界面接合力得到改善的電極。

本公開的進一步的目的是提供一種燃料電池的膜電極組件的制造方法，在該方法中可以使用轉印工藝將電極與電解質膜接合。

一方面，本公開提供一種燃料電池電極，該燃料電池電極包括：電極層和形成在該電極層的一側的保護層。其中該電極層包括金屬催化劑負載于碳載體上的催化劑載體、抗氧化劑和離聚物。其中保護層包括：離聚物層，被設置成接觸電極層的一側且包括另一離聚物；以及催化劑層，形成在離聚物層的另一側且包括金屬催化劑負載于碳載體上的催化劑載體、抗氧化劑和離聚物。

在一個優選實施例中，保護層中的離聚物可以包括聚合物，該聚合物包括選自由全氟磺酸(PFSA)、苯酚磺酸、聚苯乙烯磺酸、氟化苯乙烯磺酸及其組合組成的組中的至少一種磺化芳族化合物。

在另一優選實施例中，金屬催化劑可以包括選自由鉑、金、鈀、銥、銠、釕及其組合組成的組中的一種。

在又一優選實施例中，碳載體可以包括選自由乙炔黑、炭黑、多孔碳、碳納米顆粒、碳納米管、碳納米纖維、石墨烯、石墨碳及其組合組成的組中的一種。