[发明专利]燃料电池、制备燃料电池的电极催化剂层的方法和操作燃料电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过抑制电解质膜或电极催化剂层中电解质变差而耐久性得到改善的燃料电池。此外，本发明涉及一种制备燃料电池的电极催化剂层的方法和操作燃料电池的方法。

背景技术

通过与氢气的电化学反应产生电的燃料电池具有高的功率产生率，并且所释放的气体清洁，因而这种燃料电池对环境的影响极其低。由此，燃料电池近来已表现出各种应用的前景，例如发电和作为低排量汽车动力源。燃料电池可以根据其电解质进行分类。例如，已知的燃料电池包括固体聚合物燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。

固体聚合物燃料电池可以在约80℃的低温下操作，并且具有大功率密度。固体聚合物燃料电池通常使用质子导电聚合物膜作为其电解质。燃料电极和氧电极一起构成一对电极，并且分别设置在充当电解质的聚合物膜的各侧，形成电极组。其中电极组夹在隔离体间的单电池充当发电单元。当将氢气或含氢气的燃料气体送入燃料电极，将氧化剂气体，例如氧气或空气送入氧电极时，通过三相界面处的各气体、电解质和各电极之间的电化学反应产生电。充当电解质的聚合物膜当含有水时对质子导电。为维持该聚合物膜的质子导电性，通常将燃料气体和氧化剂气体在各自已被增湿器润湿后再送到各自的电极。

但是，在聚合物电解质燃料电池中，通过电池反应在固体聚合物电解质膜和电极之间的界面处形成的催化剂层中形成过氧化物。所形成的过氧化物在扩散的同时转化为过氧化物自由基，这造成电解质恶化。例如，在燃料电池中，燃料在燃料电极处被氧化，氧气在氧电极处被还原。因而，如果氢气用作燃料，并且如果使用酸性电解质时，理论反应可以由下面的式(1)和(2)表示。

阳极(氢电极)：H₂→2H⁺+2e^-           (1)

阴极(氧电极)：2H⁺+2e^-+(1/2)O₂→H₂O  (2)

根据式(1)反应在阳极产生的氢离子以H⁺(XH₂O)水合态渗透(扩散)通过固体聚合物电解质膜。已渗透通过该膜的氢离子进入阴极的式(2)反应中。在阳极和阴极发生的电极反应中，紧密粘附到固体聚合物电解质膜的电极催化剂层充当反应场所，以致反应在电极催化剂层中的催化剂与固体聚合物电解质膜之间的界面处继续。

但是，在实际燃料电池中，除了这些主反应之外，还发生副反应。这种副反应的代表性例子是过氧化氢(H₂O₂)的形成。虽然该形成机理并没有完全被理解，但一种可能的机理如下。具体地，过氧化氢的形成可能发生在氢电极或氧电极。例如，在氧电极，过氧化氢可以根据下式由氧气的不完全还原反应形成。

O₂+2H⁺2e^-→2H₂O₂    (3)

在氢电极，据认为该气体中作为杂质所包含的或故意混入其中的氧，或在氧电极溶解到电解质内并扩散到氢电极的氧参与该反应。该反应式可以与上述式(3)相同，或可以由下式表示。

2M-H+O^2-→2M+H₂O₂    (4)

此处，M表示氢电极中所用的催化剂金属，M-H表示氢粘附到该催化剂金属上。一般地，例如铂(Pt)的贵金属用作催化剂金属。

在这些电极上生成的过氧化氢通过扩散等离开这些电极，进入电解质内。过氧化氢是具有强氧化能力的物质，因而将构成电解质的大量有机物质氧化。虽然具体机理并不清楚，但据认为在许多情况下过氧化氢形成自由基，所形成的过氧化氢自由基成为氧化反应中的直接反应物质。具体地，据认为通过下式产生的自由基或者夺取电解质中有机物质的氢，或者它们断开某些其它连接键。虽然这些自由基形成的原因并不完全清楚，但据认为与重金属离子的接触具有催化效应。还认为该自由基会因热、光和其它这种因素而形成。

H₂O₂→2·OH

或者

H₂O₂→·H+·OOH