[发明专利]燃料电池电极、燃料电池的膜电极组件及其制造方法

说明书

本公开涉及一种燃料电池电极、燃料电池膜电极组件及其制造方法，其中通过在电极层和催化剂层之间形成离聚物层来制造电极，并且将抗氧化剂分散到电极的催化剂层和电解质膜的离子交换层中，以改善电极和电解质膜之间的界面接合力，使用转印工艺将电极与电解质膜接合，电极和电解质膜的耐久性得到改善。

技术领域

本公开涉及一种燃料电池电极、包括燃料电池电极的燃料电池的膜电极组件及其制造方法，其中该电极和电解质膜之间的界面接合力得到改善，可以使用转印工艺(transfer process)将电极与电解质膜接合，并且电极和电解质膜的耐久性得到改善。

背景技术

燃料电池是电化学装置，该电化学装置通过作为反应物的氢和氧之间的化学反应产生电力。其中，与其他燃料电池相比，使用质子可渗透的聚合物膜作为电解质的聚合物电解质膜燃料电池是具有高电流密度的大功率燃料电池。聚合物电解质膜燃料电池包括几个元件，即，发生电化学反应的膜电极组件(MEA)，作为将反应气体均匀地扩散到MEA表面的多孔介质的气体扩散层(GDL)以及支撑MEA和GDL、运输反应气体和冷却水、收集产生的电力并传输该电力的分离板(bipolar plate)等。将几十或几百个这些元件堆叠，从而形成燃料电池堆。

特别地，通过制造电极单元来制造膜电极组件，其中每个电极单元通过在电极层上形成催化剂层，然后将阴极(cathode)单元和阳极(anode)单元转印到电解质膜的两个表面来制造。膜电极组件的电解质膜使用离子交换材料传导质子。通过电解质膜的离子交换材料，阴极的氧离子移动到阳极，而阳极的质子移动到阴极。然而，氢和氧在电解质膜和阴极之间的界面处相遇，从而生成过氧化氢(H₂O₂)。过氧化氢分解成羟基自由基、氢过氧自由基等，从而使电解质膜劣化。

为了解决这种问题，以往提出了通过向电解质膜添加催化剂和抗氧化剂以防止在电解质膜与阴极之间的界面处生成自由基而形成的聚合物电解质膜。然而，当由于由过氧化氢产生的自由基而电解质膜开始劣化时，电解质膜中包含的催化剂会加速这种化学劣化。另外，由于催化剂引起电解质膜的劣化，自由基不能有效地去除，因此上述聚合物电解质膜对耐久性的改善没有很大的贡献。

另外，电解质膜中包含大量的抗氧化剂，因此，难以使用转印工艺将电极与电解质膜接合。这是因为，离聚物层中包含的过量的抗氧化剂降低了离聚物的分布并且与电极的接触相对减少。因此，电极未能适当地转印到离聚物层上，从而发生接合不良。

发明内容

本公开旨在解决与现有技术相关联的上述问题，并且本公开的目的是提供一种燃料电池电极，在该电极中离聚物层形成在电极层和催化剂层之间以改善电极的耐久性。

本公开的另一个目的是提供一种燃料电池的膜电极组件，该燃料电池的膜电极组件包括电极与电解质膜之间的界面接合力得到改善的电极。

本公开的进一步的目的是提供一种燃料电池的膜电极组件的制造方法，在该方法中可以使用转印工艺将电极与电解质膜接合。

一方面，本公开提供一种燃料电池电极，该燃料电池电极包括：电极层和形成在该电极层的一侧的保护层。其中该电极层包括金属催化剂负载于碳载体上的催化剂载体、抗氧化剂和离聚物。其中保护层包括：离聚物层，被设置成接触电极层的一侧且包括另一离聚物；以及催化剂层，形成在离聚物层的另一侧且包括金属催化剂负载于碳载体上的催化剂载体、抗氧化剂和离聚物。

在一个优选实施例中，保护层中的离聚物可以包括聚合物，该聚合物包括选自由全氟磺酸(PFSA)、苯酚磺酸、聚苯乙烯磺酸、氟化苯乙烯磺酸及其组合组成的组中的至少一种磺化芳族化合物。

在另一优选实施例中，金属催化剂可以包括选自由铂、金、钯、铱、铑、钌及其组合组成的组中的一种。

在又一优选实施例中，碳载体可以包括选自由乙炔黑、炭黑、多孔碳、碳纳米颗粒、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、石墨碳及其组合组成的组中的一种。