[发明专利]聚合物电解质燃料电池及其制造方法

说明书

本发明涉及聚合物电解质燃料电池，具体说，涉及一种聚合物电解质燃料电池，可长期稳定地输出高电压。

燃料电池是一种将作为燃料的气体的反应能直接转化成电能的电池，氢/氧燃料电池对地球环境基本无影响，因为原则上其反应产物仅是水。具体说，聚合物电解质燃料电池将聚合物用作电解质，可在室温操作，提供高的功率密度，从而可预计用作电车的能源或固定式能源，从而满足近年日益增加的能量社会需求或地球环境保护问题。

在聚合物电解质燃料电池中，通常将质子导电离子交换膜用作聚合物电解质，由带有磺酸基团的全氟化碳聚合物(本文也称为磺酸类型的全氟化碳聚合物)制成的离子交换膜尤其具有极佳的基本特性。在聚合物电解质燃料电池中，气体扩散类型电极层与离子交换膜的两面接触，通过分别向阳极提供氢作为燃料和向阴极提供氧气或空气作为氧化剂，产生能量。

对于聚合物电解质燃料电池的电极层而言，通常使用一种电极催化剂，它是铂或铂合金催化剂支撑在大比表面积的导电碳黑上。另外，气体扩散类型电极层上的反应仅在电解质、催化剂和气体(氢或氧气)同时存在的三相界面上发生。具体说，用离子交换树脂覆盖催化剂来扩大三相界面的方法，可以改善聚合物电解质燃料电池的性能。

在聚合物电解质燃料电池的阴极，发生着以式表示的反应，由氧气作为氧化剂的反应形成水，质子穿过离子交换膜，电子由外电路流进。在这个氧的还原反应中，用铂作为催化剂，因为它稳定且对含有磺酸基团的全氟化碳聚合物有高度活性。但难以获得极佳的输出特性，因为与在阳极氢的氧化反应相比，阴极的氧气还原反应的超电压太大。为了改善磷酸类型燃料电池(PAFC)的输出性能，曾经设法将铂颗粒的尺寸微小化以改善铂颗粒的分散程度或使用铂合金来增加金属面积。

对使用聚合物电解质膜作为电解质的聚合物电解质燃料电池而言，操作温度通常至多为100℃，且阴极氧气还原反应的速度低于磷酸类型的燃料电池。因此，在需要高输出特性的用途中，如固定使用的用途或装于交通工具上的用途等，需要开发一种对阴极反应高度活性的电极催化剂。

因此，本发明的目的是提供一种可长期稳定地输出高能量的聚合物电解质燃料电池，其办法是特别注意阴极的电极催化剂，以便降低阴极氧气还原反应的超电压。

本发明提供一种聚合物电解质燃料电池，它包括离子交换膜、和隔着离子交换膜互相面对面的阴极和阳极，其中阴极包括离子交换树脂和含铂或铂合金的电极催化剂，所述的催化剂沉积在碳支撑物上，其由X射线衍射数据计算的平均(002)点阵间距d₀₀₂为0.340-0.362nm，其由X射线衍射计算的微晶尺寸L_c为0.6-4，其比面积为260-800m²/g。

另外，本发明还提供制造聚合物电解质燃料电池的方法，这种聚合物电解质燃料电池包括离子交换膜和隔着离子交换膜相互面对面的阴极和阳极，其中阴极包括离子交换树脂和电极催化剂，在所述的方法中，在1,000到2,000℃将比表面积至少为300m²/g的碳黑或活性碳进行热处理，然后将铂或铂合金沉积到如此得到的碳材料(作为支撑物)上，得到电极催化剂。

在附图中，图1是显示实施例2和实施例6聚合物电解质燃料电池的电流密度/电池电压特性的曲线图。

现参考一些优选实施方案详细描述本发明。

本发明的聚合物电解质燃料电池使用一种对阴极的氧气还原反应具有高度活性的电极催化剂，因此这种电池具有高的输出特性，且能长期维持稳定的电能输出。上述电极催化剂高度活性的原因尚不十分清楚，但可认为使用了碳支撑物，它是一种含有电子密度特性高的高度石墨化碳的碳材料，结果沉积在该支撑物上的铂或铂合金的电子状态发生改变，从而加速氧的还原反应。

另外，随着碳支撑物石墨化的加强，其斥水性交高，从而阴极形成的反应产物水等容易排出。因此形成的凝结水填满阴极孔隙的现象几乎不发生，据信这就使得能够长期维持稳定的电能输出。

在本发明中，碳支撑物的平均(002)点阵间距d₀₀₂是指碳支撑物石墨结构上六角形网络面间的间距，表示C轴方向点阵常数C的1/2层间距离的平均值，该C轴方向是与六角形网络面垂直的方向。另外，微晶尺寸L_c是C轴方向六角形网络面薄层的厚度。它们都是由X射线衍射图计算出的值。