[发明专利]电化学燃料电池的阴极电极设计

说明书

膜电极组件，包括：阳极电极；阴极电极；以及聚合物电解质膜；其中所述阴极包括第一阴极催化剂子层，其包含第一贵金属催化剂组合物和第一离聚物组合物，所述第一离聚物组合物包含第一离聚物和第二离聚物；以及第二阴极催化剂子层，其包含第二贵金属催化剂组合物和含有第三离聚物的第二离聚物组合物；其中所述第一离聚物在化学结构和当量重量中的至少一方面不同于所述第二离聚物。

背景

本公开的领域

本公开涉及用于电化学燃料电池的催化剂层，特别是用于电化学燃料电池的膜电极组件的阴极催化剂层。

相关技术的描述

电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电力。固体聚合物电化学燃料电池通常采用膜电极组件，其包括设置在两个电极之间的固体聚合物电解质膜。膜电极组件通常介于两个导电流场板之间以形成燃料电池。这些流场板用作集电器，为电极提供支撑，并为反应物和产物提供通道。这种流场板通常包括流体流动通道以分别将燃料和氧化剂反应物流体的流动引导至每个膜电极组件的阳极和阴极，并去除过量的反应物流体和反应产物。在操作中，电极电耦合用于通过外部电路在电极之间传导电子。通常，多个燃料电池串联电耦合以形成具有期望功率输出的燃料电池堆。

阳极和阴极分别各自含有一层阳极催化剂和阴极催化剂。催化剂可以是金属、合金或负载的金属/合金催化剂，例如负载在炭黑上的铂。催化剂层可以含有离子导电材料，例如(由E.I.du Pont de Nemours and Co.提供的)和/或粘合剂，例如聚四氟乙烯(PTFE)。每个电极还包括导电多孔基板，例如碳纤维纸或碳布，用于反应物分布和/或机械支撑。多孔基板的厚度通常为约50至约250微米。任选地，电极可以包括设置在催化剂层与基板之间的多孔子层。子层通常含有导电颗粒(例如碳颗粒)和任选的防水材料，用于改变其性质，例如气体扩散和水管理。可以将催化剂涂覆至膜上以形成催化剂涂覆的膜(CCM)或涂覆至子层或基板上以形成电极。

由于通常使用的贵金属，催化剂是燃料电池中最昂贵的组分之一。这种贵金属包括铂和金，其通常与其他金属混合或合金化，例如钌、铱、钴、镍、钼、钯、铁、锡、钛、锰、铈、铬、铜和钨，以增强优选的反应并减轻不期望的副反应，这些副反应对于阳极和阴极是不同的。催化剂可以负载在催化剂载体上以减少所需催化剂的负载量并改善催化剂层中的电子电导率。可以在催化剂层中使用额外的电子导体，例如碳和石墨，以进一步改善电导率。

氢气燃料电池中的阳极和阴极半电池反应如以下方程式所示：

H₂→2H⁺+2e^- (1)

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O (2)

在阳极上，主要功能是使氢燃料氧化以形成质子和电子。取决于燃料源，阳极催化剂可能需要耐受杂质。例如，当在基于重整物的燃料上操作时，经常发生阳极催化剂的一氧化碳中毒。为了减轻一氧化碳中毒，铂合金催化剂(例如铂-钌)在阳极上是优选的。

在阴极上，主要功能是使氧还原并形成水。该反应固有地比阳极反应慢得多，因此，阴极催化剂的负载量通常比阳极催化剂的负载量高。增强阴极半电池反应的一种方法是改善催化剂层的电化学活性和催化剂利用率，从而减少与电子电阻和质子电阻以及质量传递有关的电压损失。在另一个实例中，如第2017/0141406号美国专利公开中所公开的，双层阴极催化剂层设计可以提供性能和耐久性的改进。

在催化剂层中，本领域众所周知的是，其中催化剂、反应物和电解质(或膜)相遇的三相边界是进行电化学反应所必需的。例如，为了在常规聚合物电解质燃料电池的阴极上进行氧还原反应，质子需要通过质子导体从膜传导至催化剂，电子需要从催化剂传导至集电器，并且氧气和产物水需要能够行进往返于催化剂层和气体通道。