[发明专利]燃料电池催化剂复合物及制造包括该复合物的电极的方法

说明书

本发明公开一种燃料电池用催化剂复合物及制造包括该催化剂复合物的电极的方法。包括在燃料电池的电极中的燃料电池用催化剂复合物包括：第一催化剂，用于进行氢氧化反应(HOR)；以及第二催化剂，用于进行水电解反应，即氧析出反应(OER)。第一催化剂的外表面涂覆有第一离聚物粘合剂，第二催化剂的外表面涂覆有第二离聚物粘合剂，并且第二离聚物粘合剂的当量(EW)与第一离聚物粘合剂的当量(EW)不同。

技术领域

本公开涉及燃料电池用催化剂复合物及制造包括该复合物的电极的方法。

背景技术

近来，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)最常用作车辆的燃料电池。为了在车辆的各种行驶条件下通常产生至少几十千瓦的高输出性能，聚合物电解质膜燃料电池必须在宽的电流密度范围内稳定地工作。

为了满足燃料电池的所需的输出水平，燃料电池采用将单元电(unit cell)池堆叠组装以电池堆(stack)的形式使用。单元电池被配置为使得气体扩散层(GDL)和垫片(gasket)堆叠在阴极(cathode)和阳极(anode)所在的膜电极组件(MEA)的外部。在GDL的外部设置有具有流路(flow field)以供应反应气体(用作燃料的氢和用作氧化剂的氧或空气)并使冷却水通过的双极板(或分离板)。堆叠数百个这些单元电池后将用于支撑单元电池的端板(end plate)结合到最外面的单元电池。

在燃料电池中的电化学反应中，如以下等式1所示，在通过氢氧化反应(HOR)将供应给燃料电池的氧化电极即阳极的氢被分离成质子(proton)和电子之后，质子通过膜移动到还原电极，即阴极，电子通过外部电路移动到阴极。如以下等式2所示，质子和电子在阴极中通过氧还原反应(ORR)与从外部供应的氧气发生反应以产生电和热，同时产生水作为反应副产物。

[等式1]

H₂→2H⁺+2e^-,E⁰＝0.000V(vs.SHE)

[等式2]

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O,E⁰＝1.229V(vs.SHE)

(其中，E⁰是标准电极电势，SHE是标准氢电极。)

特别地，当阳极中的质子通过膜移动到阴极时，通常发生水合氢离子(HydroniumIon)与水分子结合从而拖拉水分子的电渗阻力(Electro-Osmotic Drag,EOD)现象。此外，当在阴极处累积的水量增加时，可能发生一些水从阴极反向移动到阳极的反向扩散(BackDiffusion,BD)现象。当存在通过这种燃料电池反应产生并移动的适量水时，适量水起到维持膜电极组件的增湿的理想的作用，但是当存在过量的水时，如果没有适当地去除过量的水，则会发生水泛滥(flooding)，并且泛滥的水会阻碍向燃料电池内部供应反应气体，从而增加电压损失。除了燃料电池中的水泛滥外，各种其它原因(例如冬天的冰形成和反应气体供应装置的异常)可能会导致氢和氧(即燃料电池中使用的反应气体)的供应不足，特别地，已知阳极处的氢燃料不足(Hydrogen Fuel Starvation)会给燃料电池的性能带来致命的负面影响并大大降低电池电压。