燃料电池电极及其生产工艺和使用该电极的燃料电池制造技术

一种燃料电池的电极，它具有这样的结构，在一施主型石墨添加复合物的表面和它的层状晶体层中，附载了一种催化活性成分，该催化活性成分是由元素周期表Ⅰ和Ⅷ族的至少一种贵金属里选取的。该电极用于燃料电池，可以有效的增进电池的功能。（*该技术在2005年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种燃料电池电极及其生产工艺和使用该电极的燃料电池的生产工艺。本专利技术的燃料电池电极特别适于使用甲醇，联氨等液体燃料的液体燃料电池和磷酸电解质燃料电池。无论使用甲醇或联氨作燃料的液体燃料电池，或是用磷酸作电解质的磷酸燃料电池，它们的电极通常是由在诸如碳纸那样的多孔导电衬底上形成一电极催化剂层的方法制备的。因此，电极采用了多孔导电极板和电极催化剂层的双层结构。将一种或多种催化活性成分附载到诸如石墨微粒状的导电微粒上即可获得电极催化剂。用聚四氟乙烯之类的防水物质作粘结剂，将多孔导电衬底塗敷上电极催化剂，使得到了具有上述结构的电极。由于该电极催化剂层是用粘结剂经过上述塗敷工艺在导电衬底上形成的，因此，有一个问题，即电极催化剂层很容易开裂并从衬底上剥落。作为先有技术，日本专利申请KOKAl(公开)124864/82号文献公布了一种具有这种结构的燃料电池电极。该文还描述了其催化剂层，它的导电性是如此之差以致电压降不能忽略。为了提高电极催化剂层的导电性，该文公布了衬底的构成，它是由将例如硫酸、磷酸或诸如此类的酸添加到石墨晶体层中而得到的一种石墨添加复合物而制成的。本专利技术之目的是要提供一种燃料电池电极，它与在多孔导电衬底上塗敷电极催化剂而制成的电极相比，其电池特性更好。本专利技术的另一个目的，是要提供一生产燃料电池电极的工艺，它不需要塗敷粘结剂的工艺步骤，而能在衬底上附载催化活性成分。本专利技术的进一步目的，是要提供一种使用本专利技术燃料电池电极的燃料电池。本专利技术提供了一种燃料电池电极，它至少包括一种催化活性成份。该成分是从元素周期表中的Ⅰ和Ⅷ族的贵金属中选择的;且该催化剂活性成分附载在石墨制成的多孔导电衬底的表面及其层状晶体层中。本专利技术还提供了燃料电池电极的生产工艺，该电极包括由施主型石墨添加复合物所制成的多孔导电衬底，并且该衬底与至少一种催化活性成分相接触以便靠离子交换反应或催化活性成分的还原反应，能在衬底表面及石墨层状晶体中附载催化活性成分，其中所述的催化活性成分是选用元素周期表中的Ⅰ和Ⅷ族贵金属。本专利技术进而提供了一种燃料电池，它包含有一对相对放置的电极;一种配置在两电极间的电解质;一个位于上述一对电极中的燃料电极附近的燃料室;一个位于上述一对电极中的氧化剂电极附近的氧化剂室;一个为燃料室提供燃料的装置;一个为氧化剂室提供氧化剂的装置;该电池的特征在于至少有一个电极含有至少一种催化活性成分，该成分是从元素周期表中的Ⅰ和Ⅷ族贵金属中选取的，而且该催化活性成分附载在石墨制成的多孔导电衬底的表面及其层状晶体层中。图1是一个透视图，它表明了燃料电池的一个电池单元的基本结构。图2的曲线表明，当根据本专利技术的例1，把当作一个电极使用的石墨添加复合物浸在氯铂酸溶液中时，铂的载量和浸入时间之间的关系。图3中的曲线表明，根据本专利技术的例1，电流密度和以氢为基准的电压之间的关系。图4中的曲线表明，根据本专利技术的例2，把当作一个电极来使用的石墨添加复合物浸在氯铂酸溶液中时，铂的载量和浸入时间之间的关系。图5中的曲线表明，根据本专利技术的例2，电流密度和以氢为基准的电压之间的关系。图6中的曲线表明，根据本专利技术的例3，钯的附载量和钯氯化物浓度之间的关系。图7中的曲线表明，根据本专利技术的例3，钯颗粒尺寸和钯氯化物浓度之间的关系。图8中的曲线表明，当根据本专利技术的例3所制作的燃料电极用于联氨燃料电池时的电池特征。图9中的曲线表明，根据本专利技术的例5，载有催化活性成分的碳纤维的X射线衍射图形。图10中的曲线表明，当根据本专利技术的例5所制作的燃料电极用于甲醇燃料电池时的电池特性。图11中的曲线表明，由例8所得到的附货载铂的石墨颗粒的X射线衍射图形。本专利技术的燃料电池电极有这样一个结构，其中，至少有一种催化剂活性成分，该催化活性成分是从元素周期表中的 Ⅰ族，尤其是象Ⅰb族的Au、Ag等，及Ⅷ族，如Ru、Rh、Pd、O 、Ir、Pt等元素中选取的的，而且，该催化活性成分附载在由层状晶体层的石墨所制成的多孔导电衬底的表面及其层状晶体层中。具有这样结构的电极可由下列步骤制作首先，将具有层状晶体层结构的石墨制成一种多孔导电衬底。然后，把一种或多种碱金属及碱土金属添加到石墨层状晶体层中以产生一种施主型石墨添加复合物(以下统称为“施主型GIC”)，施主型GIC又被浸入一种有机溶剂中，而该溶剂中溶解了至少一种具有催化活性作用的金属盐，这些金属盐是由属于元素周期表中的Ⅰb族(如Au和Ag)以及Ⅷ族(如Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt等)的贵金属盐类中选取的。由这样一种方法，添加剂，也就是在GIC中的碱金属或碱土金属及在有机溶剂中被电离具有催化活性作用的金属就发生了离子交换，以便在石墨层状晶体层中附载具有催化活性作用的金属。进而，上述具有催化活性作用的金属盐就被还原而且附载到多孔导电衬底的表面上。使用石墨添加复合物为原材料且通过离子交换反应或还原反应而得到附载催化活性成分的电极。具有这种结构的电极，其优点在于催化活性成分的颗粒小而且 而且这种催化活性成分的分散能力比过去的电极要好，过去的电极通常是由在多孔导电衬底上用粘合剂粘结一种电极催化剂而制得的。因此，在衬底上附载的催化活性成分可以有效的用于电池反应之中。与使用在多孔导电衬底上覆盖电极催化剂的电极的燃料电池相比，使用本专利技术电极的甲醇燃料电池、联氨燃料电池和磷酸电解质燃料电池能够有更高的电池电压。其结果，就有可能节省催化活性成分的量值。刊载在“Kagaku”(化学)38卷第4号268-278页(1983)上，由楚约斯希·奈凯吉玛(Tsugoshi Иakajima)以“现代剂量中的添加物”为题所发表的文章中，详细解释了添加复合物，该文也淡及了石墨添加复合物。如该文所述，添加复合物包括一种层状物质和一添加剂，而且添加复合物可被分为施主型复合物和受主型复合物。将石墨(它是一种层状物质)和一种添加剂由离子键合的方法相复合，便得到了石墨添加复合物。石墨的结构是碳原子呈六方型网格的层状结构，而且一种或多种添加剂被添加在碳晶面之间。我们可以用碱金碱，碱土金属、卤素、卤化物和酸类来作为与石墨形成添加复合物的添加剂。当碱金属和/或碱土金属作为添加剂时，就形成了施主型GICs。当使用其它添加剂时，就形成了受主型GIC 。在日本专利申请 Okai(公开)124864/82号文献中所公开的石墨添加复合物(GICs)，由于是以酸作为添加剂，因此是受主型GIC。受主型GIC在大气中是稳定的。在日本专利申请Kokai(公开)124864/82号文献中，利用其在大气中的稳定性质及将电极催化剂粘在衬底上的方法，把受主型GIC用作为多孔导电衬底。与之相反，施主型GIC在大气中是不稳定的，而且它很易于和空气中所接触到的潮气或氧起反应，从而易于导致其性质的改变。本专利技术的专利技术者已经发现，当施主型GIC在惰性气体中或在不和施主型GIC起反应的液体中与电离的催化剂元素相接触时，依靠GIC和电离的催化剂元素之间的离子交换反应以及电荷转移过程中的催化剂元素的还原，该催化剂元素可以附载到GIC表面及石墨层之间，也就是说，专利技术人已发现施主型GIC在催化活性成分的附载过程中可作为还原剂。受主型添加复合物不能作为还原剂。只有施主型GIC才能作为GICs的还原剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池电极，其特征在于：由元素周期表中的第Ⅰ族和第Ⅷ族里选取的至少一种贵金属，构成了电极的催化活性成分，该催化活性成分附载在石墨制成的多孔导电衬底的表面及其层状晶体层之间。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池电极，其特征在于由元素周期表中的第Ⅰ族和第Ⅷ族里选取的至少一种贵金属，构成了电极的催化活性成分，该催化活性成分附载在石墨制成的多孔导电衬底的表面及其层状晶体层之间。2.根据权利要求1，一种燃料电池电极，其特征在于石墨是一种施主型石墨添加复合物，该添加复合物是由石墨及至少一种从碱金属和碱土金属中选取的成分所制成的。3.根据权利要求2，一种燃料电池电极，其特征在于石墨是具有石墨化层状结构的碳纤维。4.根据权利要求1，一种燃料电池电极，其特征在于催化活性成分的附载量为每平方厘米电极的可视表面面积中含有0.1毫克到2毫克。5.根据权利要求1，一种燃料电池电极，其特征在于除了催化活性成分外，各个表面都为防水物质所覆盖。6.一种生产燃料电池电极的工艺，其特征在于将由施主型石墨添加复合物所制成的一种多孔导电衬底和由元素周期表中Ⅰ和Ⅷ族的贵金属里选取的至少一种催化活性成分相接触，靠离子交换反应或催化活性成分的还原反应，将催化活性成分附载到石墨表面及其层状晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：尾山博司，峰村哲郎，安藤寿，今野清，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]