公开了电化学燃料电池。电化学燃料电池包括含下述的膜电极组件：具有阳极气体扩散层和阳极电催化剂层的阳极；具有阴极气体扩散层和阴极电催化剂层的阴极；和置于阳极和阴极之间的质子交换膜。阳极电催化剂层和阴极电催化剂层中的至少一种包括电催化剂和聚糠醇。聚糠醇可均匀或不均匀地分布在电催化剂层内。还公开了具有电催化剂和聚糠醇的电催化剂层的制备方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的公开内容涉及电催化剂层和电化学燃料电池，和用于电 化学燃料电池的电催化剂层的制备方法。 相关领域的说明电化学燃料电池使反应物，亦即燃料和氧化剂流体物流转化，以 产生电能和反应产物。电化学燃料电池通常使用置于两个隔板之间的 膜电极组件(MEA)，所述隔板对反应物流体物流基本上不可渗透。隔板 典型地充当继电器并提供MEA支持。另外，隔板可具有在其内形成的 反应物通道并充当流场板，所述流场板提供反应物流体物流，例如氢 气和空气到达MEA的出入通道(access)并提供燃料电池操作过程中形 成的反应产物的除去。典型地，许多燃料电池以串联的方式电连接， 形成燃料电池组(stack)。一类电化学燃料电池是聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，它使用含 固体聚合物电解质或离子交换膜的MEA。该膜充当彼此隔离反应物物 流的阻挡层并还充当两个电极之间的电绝缘体。典型的商业PEM是由 E. I. Du Pont de Nemours and Company以商品牌号Nafion⑧销售的 磺化全氟膜。MEA进一步包括两个电极，其中每一电极置于离子交换膜的相对 表面上。每一电极典型地包括多孔的导电基底，例如碳纤维纸张或碳布，所迷基底提供膜结构支持并充当气体扩散层。典型地，气体扩散 层还含有碳粒与任选的粘合剂的子层。电极进一步包括置于膜和气体 扩散层之间的电催化剂，所述电催化剂典型地为贵金属组合物(例如， 铂金属黑或其合金)且可在合适的电催化剂载体(例如，承载在炭黑载 体上的铂微粒)上提供。电催化剂也可含有离聚物以通过电极改进质子 传导。电极典型地含有疏水材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)，以赋予电极 水管理(management)性能。水管理性能是电极的关键性能，因为在燃 料电池操作过程中将产生水。在没有除去充足的水的情况下，产物水 可能累积，从而因传质损失增加导致性能损失，尤其在其中产生相对 大量水的高电流密度下。然而，当在含离聚物的电催化剂组合物中使用时，PTFE的使用受 到局限，这是因为PFTE性质上是疏水的且没有与亲水的离聚物均匀地 混合。另外，PTFE流入到流体扩散层和/或电催化剂内所要求的高的 烧结温度会损害或破坏大多数离聚物。因此，尽管本领域中存在进展，但本领域仍需要具有改进的水管 理性能的电催化剂层。本专利技术解决了这些需求并提供了进一步相关的 优点。简要概述简而言之，本专利技术的公开内容一般地涉及电催化剂层和电化学燃 料电池，以及用于电化学燃料电池的电催化剂层的制备方法。在一个实施方案中，膜电极组件包括具有阳极气体扩散层和阳 极电催化剂层的阳极；具有阴极气体扩散层和阴极电催化剂层的阴极； 以及置于阳极和阴极之间的质子交换膜；其中阳极电催化剂层和阴极 电催化剂层中的至少一层包括聚糠醇。在一些实施方案中，阴极电催 化剂层包括铂合金催化剂和离聚物。在其他实施方案中，聚糠醇的分 布不均匀。在另一实施方案中，电化学燃料电池用电极的制备方法包括下述 步骤施加电催化剂组合物到片材上；添加单体糠醇到电催化剂组合物上；和在添加单体糠醇并施加催化剂组合物之后聚合单体糠醇。 参考下述详细说明和附图，本专利技术的这些和其他方面将变得显而易见。附图简述在附图中，相同的附图标记表示相同的元件或行为。在附图中元 件的尺寸和相对位置不一定按比例画出。例如，各种元件的形状和角 度没有按比例画出，和这些元件中的一些是任意放大且布置的，以改 进图片的清晰度。此外，所画出的元件的特定形状拟覆盖关于特定元 件实际形状的任何信息，且仅仅为了在附图中容易识别的目的而选择。附图说明图1是膜电极组件的示意图。图2是显示用于阴极电极的具有铂电催化剂和铂-钴合金电催化 剂，并结合有Nafion⑧离聚物的燃料电池的极化曲线的图表。 详细i兌明在下述说明中，列出一些具体细节，以便提供本专利技术说明书各种 实施方案的全面理解。然而，本领域的技术人员要理解，可在没有这 些细节的情况下实践本专利技术。在其他情况下，没有详细地显示或描述 与燃料电池、燃料电池组和燃料电池体系有关的公知结构，以避免不 必要地妨碍实施方案的说明。除非另有说明，在随后的说明书和权利要求中，措辞"包括"及 其变体,例如"包含，，和"含(comprise, comprises, comprising)，， 以开放包括端值的意义解释，亦即解释为"包括，但不限于"。在本说明书中提到"一个实施方案"或"一种实施方案"是指结 合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在本专利技术说明书的至 少一个实施方案内。因此，在本说明书的各处出现的措辞"在一个实 施方案中"或"在一种实施方案中"不一定全部是指相同的实施方案。 此外，在一个或更多个实施方案中，特定的特征、结构或特性可以任 何合适的方式结合。图1示出了例举的膜电极组件10( "MEA")的示意图。如前所述， MEA典型地包括置于气体扩散层16、18("GDL")和质子交换膜20("PEM")6之间的电催化剂层12、 14。电催化剂层12、 14通常含有电催化剂， 例如贵金属、非贵金属，和/或其合金，并结合有离聚物，以增加电催 化剂层内的质子传导率。GDL16、 18典型地包括基底22、 24，例如碳 纤维纸张，和任选的子层26、 28，例如包括含碳颗粒和粘合剂，例如 PTFE和/或离聚物的层。如前所述，电催化剂层的重要性能是水管理，这是因为它对性能 具有大的影响。若电催化剂层不可能充分地除去过量的产物水，则燃 料电池的性能将负面受到影响，这是因为尤其当采用空气作为氧化剂 在其中产生大量水的高电流密度下操作时，出现过度的传质损失。特 别地，已发现， 一些电催化剂，例如柏-钴合金电催化剂具有比纯钼 催化剂低的动态损失。然而，在电流密度增加的情况下，这一性能增 益没有实现。如图2所示，测试具有相同阳极电极和相同膜，但不同阴极电催 化剂的两个MEA的燃料电池性能。阳极电催化剂是在石墨载体上的铂， 和负载为0. lmg Pt/cm2。膜是NRE211, —种由E. I. Du Pont de Nemours and Company供应的Nafion⑧基聚合物电解质膜。用于MEA之一的阴 极电催化剂是在石墨载体上且与Nafion⑧粘合剂混合的铂，而用于另 一MEA的阴极电催化剂是在石墨栽体上并与Naf ion⑧粘合剂混合的铂 -钴合金，这些阴极的负栽均为0. 4mg Pt/cm2。在1.0A/cm'下，测试 条件如下所述<table>table see original document page 7</column></row><table>认为在高的电流密度下，具有铂-钴合金的电催化剂层倾向于比 含纯钿的电催化剂层具有高的传质损失，这是因为水的保留所致。因 此，掺入与催化剂层组分相容的疏水添加剂到这一 电催化剂层内会降 低水的保留并提高在高电流密度下的燃料电池性能。已发现聚糠醇(PFA)是用于电化学燃料电池的电催化剂层的尤其 合适的疏水添加剂，因为它在比大多数离聚物，例如Nafion⑥的分解 温度低的温度下聚合。文献显示通过在Nafion⑧结构内就地酸催化聚 合糠醇，制造用于直接曱醇燃料电池的Nafion⑧膜。建议本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种膜电极组件，它包括： 含阳极气体扩散层和阳极电催化剂层的阳极； 含阴极气体扩散层和阴极电催化剂层的阴极； 置于阳极和阴极之间的质子交换膜； 其中阳极电催化剂层和阴极电催化剂层中的至少一层包括聚糠醇。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：MS哈尔，叶思宇，
申请(专利权)人：BDFIP控股有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]
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