[发明专利]用于膜电极组件的电极及其制造方法

说明书

本发明公开了一种用于膜电极组件的电极及其制造方法。在制造膜电极组件的方法中，根据位置以梯度方式施加催化剂的负载量，因此有效地使用了催化剂，从而由于减少了金属催化剂的使用量而降低了成本。此外，膜电极组件包括具有多孔基底的电极，因此使得容易选择热压条件并提高处理效率。多孔基底是疏水性的，并且与常规电极相比，电极中的孔尺寸没有减小，因此减少了溢流并产生了各种工作区域。包括所述多孔基底的电极可以使电极损失最小化，从而改善电极耐久性。

技术领域

本发明涉及一种用于膜电极组件的电极及其制造方法，所述电极包括多孔基底，所述多孔基底包括第一区域和第二区域，当沿厚度方向的截面观察时所述第一区域和第二区域具有不同的厚度，使得金属催化剂的负载量不同。

背景技术

燃料电池是一种发电系统，其可以将包含在碳氢化合物基材料(例如甲醇、乙醇和天然气)中的氢和氧的化学反应能直接转换为电能。

这样的燃料电池提供了可以替代化石燃料能源的清洁能源，并且通过堆叠单元电池形成电池堆从而能够输出各种大小的功率，并且由于其展现出小型锂电池的4-10倍的能量密度，因此已作为一种小型化的以及可移动便携式的电源而受到关注。

燃料电池的常规示例可以包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。使用甲醇作为燃料的直接氧化燃料电池被称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。

聚合物电解质膜燃料电池由于其高能量密度和高功率而有优势，但是需要注意氢气的处理，并且还需要辅助设备(诸如用于重整碳氢化合物基气体的燃料重整设备等)来生产作为燃料气体的氢气。

另一方面，与聚合物电解质膜燃料电池相比，直接氧化燃料电池具有较低的能量密度，但是由于其燃料易于处理并且其工作温度低的优势，因此能够在室温下工作并且不需要燃料重整设备。

在这种燃料电池系统中，实质上发电的电池堆具有通过堆叠几个至数十个单元电池而形成的结构，每个单元电池由图1所示的膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)组成。膜电极组件配置成使得阳极(也称为“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电极”或“还原电极”)设置在包含质子传导性聚合物的聚合物电解质膜的相对表面上。

燃料电池中发电的原理如下。首先，燃料电池的反应所需的燃料通过隔板供给至作为燃料电极的阳极。供给至阳极的燃料被吸附在催化剂上，然后被氧化以生成质子和电子，生成的电子沿着外部电路移动到作为氧化电极的阴极，并且质子通过聚合物电解质膜转移到阴极。通过隔板供给至阴极的氧化剂在催化剂上与质子和电子反应，从而产生热量和水，同时发电。

但是，在制造图1所示的膜电极组件时，由于电极中没有支撑层，因此具有物理刚性差的问题。例如，当使用转印法涂覆电极然后进行热压时，可能发生电极中的孔尺寸减小的问题，这可能引起溢流。此外，由于电极中不存在支撑层，因此会出现电极厚度根据膜电极组件的工作时间而减小的现象，从而导致电极损耗。这也可能导致电极孔结构塌陷，从而导致溢流。

因此，需要一种有效的用于膜电极组件的电极及其制造方法，在该电极中，金属催化剂的负载量根据电极的反应区域而变化，同时减少溢流的原因。

发明内容

在优选的方面中，提供了一种制造用于膜电极组件的电极的方法，该电极包括疏水性多孔基底以减少溢流的原因，还提供了通过上述方法制造的用于膜电极组件的电极，以及包括该电极的燃料电池。

在一个优选的方面，提供了一种电极，所述电极包括多孔基底，所述多孔基底包括当沿厚度方向的截面观察时具有不同厚度的两个或更多个区域(例如，第一区域和第二区域)。如此，由于电流密度分布根据功率输出而随着位置变化，因此催化剂的负载量可以随着位置而变化。

本发明的目的不限于上述方面，通过如下说明能够清楚理解本发明的目的，并且通过权利要求书中描述的手段及其组合能够实现本发明的目的。