CN101005136B - 燃料电池的阴极结构 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池的阴极结构。该结构包括催化剂层，该催化剂层是通过将碳材料与催化剂材料和亲水性离子导电材料混合而形成的。所述亲水性离子传导材料在催化剂层的厚度方向贯穿催化剂层，以与电解质膜和扩散层相连，从而提供水和氢离子的迁移通道。

Description

燃料电池的阴极结构
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的阴极结构，更具体地，本发明涉及一种具有其中在阴极产生的水不会阻塞供氧通道的结构的阴极。
背景技术
燃料电池是通过氧和包含在碳氢类材料如甲醇、乙醇或天然气中的氢之间的化学反应，将化学能直接转化为电能的发电系统。燃料电池主要可以分为向燃料电池直接提供液体甲醇的直接液体供给燃料电池，及向燃料电池提供氢气的质子交换膜燃料电池。
如图1所示，直接供给燃料电池的单元电池具有膜电极组件(MEA)结构，该结构具有介于阳极2和阴极3之间的电解质膜1。阳极2和阴极3分别包括用来提供和扩散燃料的扩散层22和32，其中发生燃料氧化和还原反应的催化剂层21和31，以及电极支撑层23和33。导电板4和5分别安装在电极支撑层23和33上，并且导电板4和5分别包括流道41和51。
直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种直接液体供给燃料电池，其电极反应包括如下所述的燃料氧化的阳极反应以及氢和氧还原的阴极反应。
[反应1]
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-(阳极反应)
[反应2]
3/2O2+6H++6e-→3H2O    (阴极反应)
[反应3]
CH3OH+3/2O2→2H2O+CO2  (总反应)
在燃料氧化(反应1)的阳极2产生二氧化碳、氢离子和电子。氢离子通过电解质膜1移至阴极3。在阴极3上，通过氢离子、从外电路传递的电子和氧之间的还原反应(反应2)产生水。因此，作为甲醇和氧之间的总电化学反应(反应3)结果，产生水和二氧化碳。
流道41形成在导电板4与阴极3相对的表面上。在阴极3的催化剂层31上产生的水会阻塞经过流道41空气供应的流动，因而可能阻碍燃料电池的稳定的发电。
发明内容
本发明提供一种阴极，该阴极具有在阴极的催化剂层产生的水不会阻塞向催化剂层供氧的结构。
本发明还提供一种具有该阴极的燃料电池。
根据本发明的一个方面，提供一种阴极结构，该结构接触电解质膜，并且包括顺序堆叠的催化剂层、扩散层和电极支撑层，其中该催化剂层是通过将碳材料与催化剂材料和亲水性离子传导材料混合而形成的，并且该亲水性离子传导材料在催化剂层的厚度方向贯穿催化剂层，以接触电解质膜和扩散层，从而提供水和氢离子的迁移通道。
亲水性离子传导材料可以覆盖催化剂层表面的10～50％。
亲水性离子传导材料可以利用掩模喷涂在催化剂层上。
亲水性离子传导材料可以具有宽度为0.1～5mm的条形，且亲水性材料之间的间隔为1～10mm。
亲水性离子传导材料可以由选自SnP2O7掺杂的磷酸盐、NH4PO3/TiP2O7复合物、磷酸盐衍生的水凝胶(phosphate drived-hydrogel)、磷硅酸盐(phosphosilicate)凝胶-聚酰亚胺复合物、Zr三羧基丁基-磷酸盐/聚酰亚胺复合物、磷硅酸盐凝胶-聚酰亚胺复合物、固体酸Cs5H3(SO4)4、杂酸H3PW12O40/聚苯乙烯磺酸(PSS)和Nafion中的一种形成。
所述扩散层的接触催化剂层的表面上可以涂有疏水性材料。
附图说明
通过参考附图详述其示例性实施方案，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加明显，附图中：
图1是常规直接液体供给燃料电池的基本结构的剖视图；
图2和图3是常规燃料电池和根据本发明实施方案的燃料电池的阴极示意图；
图4A至图4C是根据本发明实施方案的燃料电池的制备方法的剖视图；
图5是常规燃料电池和根据本发明实施方案制备的燃料电池的1.7A静态电流试验结果的曲线图；及
图6是常规燃料电池和根据本发明实施方案制备的燃料电池的I-V特性的曲线图。
具体实施方式
现在，将参考其中图示了本发明示例性实施方案的附图，更全面地描述本发明。
图2和图3是常规燃料电池和根据本发明实施方案的燃料电池的阴极示意图。在整个附图中，相同的附图标记实质上是指相同的元件，因而将省略其详细描述。
参考图2和图3，阴极3附着于电解质膜1的表面上。阴极3包括催化剂层31、扩散层32和电极支撑层33(参考图1)。
催化剂层31具有约30μm的厚度，并且是产生水的区域。催化剂层31由尺寸为几十nm的碳介质C，尺寸为几nm的催化剂例如Pt催化剂P，及离子传导材料I构成。离子传导材料I促进氢离子和水一起传输。厚度为约50μm的扩散层32和厚度为几百μm的电极支撑层33(见图1)，形成在催化剂层31上。
电解质膜1需要水来传输氢离子。一部分在阴极3产生的水可以进入电解质膜1中，而剩余的水可以进入扩散层32中。
参考图2，当离子传导材料I不规则地分布在催化剂层31中时，建立了如箭头所示的长的水迁移通道的离子传导材料I阻碍气流。因此，水缓慢地排出，并且氧向催化剂层31的供应(空气供应)也变得不稳定。
另一方面，参考图3，在距离电解质膜1较近处，形成了为亲水性材料的离子传导材料(在下文中，称为亲水性离子传导材料I’)。因此，在催化剂层31产生的水可以迅速进入电解质膜1或扩散层32中。即，流向催化剂层31的气流不会被亲水性离子传导材料I’阻塞，所以可以得到稳定的燃料电池性能。亲水性离子传导材料I’可以由选自SnP2O7掺杂的磷酸盐、NH4PO3/TiP2O7复合物、磷酸盐衍生的水凝胶、磷硅酸盐凝胶-聚酰亚胺复合物、Zr三羧基丁基-磷酸盐/聚酰亚胺复合物、磷硅酸盐凝胶-聚酰亚胺复合物、固体酸Cs5H3(SO4)4、杂酸H3PW12O40/聚苯乙烯磺酸(PSS)和Nafion中的一种形成。
在催化剂层31上沉积亲水性离子传导材料I’，以用作水通道。亲水性离子传导材料I’在催化剂层31的厚度方向贯穿催化剂层31，以与电解质膜1和扩散层32相连。催化剂层31中未形成亲水性离子传导材料I’的区域用作气流通道。形成亲水性离子传导材料I’的区域可以为催化剂层31的10～50％，优选为10～30％。亲水性离子传导材料I’可以具有宽度为约0.1～5mm、间隔为1～10mm的条形。
扩散层32的接触催化剂层31的表面上可以涂有疏水性材料如聚四氟乙烯(PTFE)或氟乙烯丙烯(FEP)。这主要是将在催化剂层31产生的水提供给电解质膜1。
图4A至图4C是根据本发明实施方案的燃料电池的制备方法剖视图。参考图4A，将碳支撑体(炭纸)33浸入到包含20 wt％的PTFE的PTFE溶液中。接着，在碳支撑体33上喷涂厚度为1.5 mg/cm2的与50wt％的PTFE溶液混合的碳浆料，并在350℃的温度下热处理30分钟，形成碳扩散层32。
参考图4B，通过混合催化剂材料(6 mg/cm2)与亲水性离子传导材料(1.3mg/cm2)，形成催化剂浆料。将该催化剂浆料喷涂到碳扩散层32上，形成催化剂层31。
参考图4C，利用掩模M，在催化剂层31上喷涂厚度为1 mg/cm2的作为亲水性离子传导材料I’的Nafion溶液。亲水性离子传导材料I’可以具有宽度为0.5mm、间隔为3mm的条形。可以形成贯穿催化剂层31的亲水性离子传导材料I’。
然后，在80℃的温度下，对阴极3热处理2小时。
在125℃的温度下，以2吨的压力将所制得的阴极3及独立于阴极3制得的阳极热压3分钟，使催化剂膜1布置在它们之间。
图5是常规燃料电池和根据本发明实施方案制备的燃料电池的1.7A静态电流试验结果的曲线图。向燃料电池中供应1M甲醇和1.7倍化学计量比例的空气。在50℃的温度下测量电压，单元电池的面积为10 cm2。
参考图5，常规燃料电池(FCl)的电压变化为30 mA/cm2，而根据本发明的燃料电池(FC2)具有较低的电压变化，即3 mA/cm2。因而，根据本发明的亲水性离子传导材料I’促进了在阴极3的催化剂层31产生的水流畅地流动，因此向催化剂层31的空气供应平稳。
图6是常规燃料电池和根据本发明实施方案制备的燃料电池的I-V特性的曲线图。向燃料电池中供应1M甲醇和1.7倍化学计量比例的空气。在50℃的温度下测量电压，单元电池的面积为10 cm2。
参考图6，与常规燃料电池(FCl)相比，在产生相同电压的情况下，根据本发明的燃料电池(FC2)具有更高的电流密度。这是因为在催化剂层31产生的水平稳地转移，从而在催化剂层31平稳地进行电化学反应。
现在将参考上述附图，描述根据本发明实施方案的直接液体供给燃料电池的运行。
在阴极3的催化剂层31产生的水以最短的距离，经过亲水性离子传导材料I’供应给电解质膜1，而剩余的水经过扩散层32和电极支撑层33排到外部。因此，在阴极3的催化剂层31中，在形成亲水性离子传导材料I’的区域实现了水的平稳转移，而在未形成亲水性离子传导材料I’的区域气流平稳。因此，阴极反应活泼地进行，从而使燃料电池稳定，最终提高燃料电池的性能。
如上所述，在根据本发明的直接液体供给燃料电池中，形成在阴极的催化剂层上亲水性离子传导材料，迅速地使在催化剂层产生的水进入电解质膜或扩散层中，促进了流向催化剂层的气流，从而稳定地保持燃料电池的输出电压。
尽管已经参考其示例性实施方案具体地说明和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将会理解，其中可以进行各种形式和细节上的变化，而不脱离如所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种阴极结构，该结构接触电解质膜，并包括顺序堆叠的催化剂层、扩散层和电极支撑层，其中
该催化剂层是通过将碳材料与催化剂材料和亲水性离子传导材料混合而形成的，及
该亲水性离子传导材料在催化剂层的厚度方向贯穿催化剂层，以接触电解质膜和扩散层，从而提供水和氢离子的迁移通道，
所述亲水性离子传导材料由选自SnP2O7掺杂的磷酸盐、NH4PO3/TiP2O7复合物、磷酸盐衍生的水凝胶、磷硅酸盐凝胶-聚酰亚胺复合物、Zr三羧基丁基-磷酸盐/聚酰亚胺复合物、磷硅酸盐凝胶-聚酰亚胺复合物、固体酸Cs5H3(SO4)4、和杂酸H3PW12O40/聚苯乙烯磺酸(PSS)中的一种形成。
2.根据权利要求1的阴极结构，其中所述亲水性离子传导材料覆盖催化剂层的表面的10～50％。
3.根据权利要求1的阴极结构，其中所述亲水性离子传导材料利用掩模喷涂在催化剂层上。
4.根据权利要求1的阴极结构，其中所述亲水性离子传导材料具有宽度为0.1～5mm的条形，且亲水性材料之间的间隔为1～10mm。
5.根据权利要求1的阴极结构，其中所述扩散层的接触催化剂层的表面上涂有疏水性材料。
6.一种燃料电池，包括具有结构的阴极，该结构接触电解质膜，并包括顺序堆叠的催化剂层、扩散层和电极支撑层，其中
该催化剂层是通过将碳材料与催化剂材料和亲水性离子传导材料混合而形成的，及
该亲水性离子传导材料在催化剂层的厚度方向贯穿催化剂层，以接触电解质膜和扩散层，从而提供水和氢离子的迁移通道，
所述亲水性离子传导材料由选自SnP2O7掺杂的磷酸盐、NH4PO3/TiP2O7复合物、磷酸盐衍生的水凝胶、磷硅酸盐凝胶-聚酰亚胺复合物、Zr三羧基丁基-磷酸盐/聚酰亚胺复合物、磷硅酸盐凝胶-聚酰亚胺复合物、固体酸Cs5H3(SO4)4、和杂酸H3PW12O40/聚苯乙烯磺酸(PSS)中的一种形成。
7.根据权利要求6的燃料电池，其中所述亲水性离子传导材料覆盖催化剂层的表面的10～50％。
8.根据权利要求6的燃料电池，其中所述亲水性离子传导材料利用掩模喷涂在催化剂层上。
9.根据权利要求6的燃料电池，其中所述亲水性离子传导材料具有宽度为0.1～5mm的条形，且亲水性材料之间的间隔为1～10mm。
10.根据权利要求6的燃料电池，其中所述扩散层的接触催化剂层的表面上涂有疏水性材料。
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