CN107452965A

CN107452965A - 阳极气体扩散电极和燃料电池

Info

Publication number: CN107452965A
Application number: CN201710873542.3A
Authority: CN
Inventors: 陶有堃; 李佳佳; 谢小军; 蒋晓强; 黄鹏辉; 李辉; 王海江
Original assignee: Shenzhen Nanke Fuel Battery Co
Current assignee: Shenzhen Nanke Fuel Battery Co
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2017-12-08
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: CN107452965B

Abstract

本发明公开了一种阳极气体扩散电极和燃料电池，该阳极气体扩散电极包括基底层、导电微孔层和电解水催化剂层，所述基底层、所述导电微孔层和所述电解水催化剂层三者依次叠合。本发明通过在阳极气体扩散电极的导电微孔层的表面设置电解水催化剂层或者在导电微孔层结构中复合电解水催化剂颗粒，够有效的防止由于发动机启动/停止过程，导致燃料供应不足从而造成反极对燃料电池组件的腐蚀，使得燃料电池电堆整体结构更加稳定、延长其使用寿命。

Description

阳极气体扩散电极和燃料电池

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种阳极气体扩散电极和燃料电池。

背景技术

目前，人类活动主要依赖的能源来自于石油、煤炭、天然气、核能等非再生能源，这些能源不仅储量有限，而且对环境造成了极大的危害。我国在经济建设和社会发展的同时，高度重视环境和资源的可持续性，积极探寻清洁、高效、可持续的新型能源。

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，利用氢气、天然气、甲醇等燃料与纯氧或空气作为原料分别在电池的阴极和阳极发生氧化还原反应，从而连续产生直流电。燃料电池可分为六大类：磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DAFC)、碱性燃料电池(AFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中质子交换膜燃料电池以其无噪音、零污染、无腐蚀、功率密度高、转换效率高、低温启动、体积小等诸多优点，被认为是最有希望成为航天、军事、电动车和区域性电站的首选电源。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)，是一种高效率的电化学发电装置，在能量转化过程中，主要的反应产物是水，几乎不会产生污染环境的氮、硫化合物。因此，被认为21世纪新型环保高效的发电技术之一。特别是在交通运输领域，PEMFC被认为是最有可能大规模应用替代传统内燃机的新型能源装置。2016年丰田燃料电池汽车Mirai已经开始上市销售，最近其又联合日产、本田等11家企业计划打造全国范围内的氢能源加注站；美国福特汽车及德国奔驰等国际知名企业也在积极开发新的燃料电池汽车技术。

发明内容

本申请发明人发现，质子交换膜型燃料电池作为发动机的可靠运行的应用中，在燃料电池电池工作过程中，尤其是发动机启动/停止过程中，阴极部分空气/氧气或者阳极燃料(氢气)，供应不足时，特别是当氢气供应不足时，阳极电位会发生变化，此时会通过电解水反应产生H⁺，来弥补阳极处H⁺的不足，如下反应(1)，

2H₂O＝4H⁺+O₂+4e^-

如果反应继续发生，当阳极水分含量过低时，将会发生如下反应(2)及(3)，

C+2H₂O＝CO₂+4H⁺+4e^-

C+H₂O＝CO+2H⁺+4e^-

同时产生较多的热量。虽然根据热力学，反应(2)和(3)应首先发生，但是实际运行时往往由于反应(1)的动力学占优而以(1)为主。当反应(1)不易发生时，反应(2)和(3)的发生会造成MEA催化层甚至是双极板的损伤，同时积聚的热量很容易使MEA中出现小孔，导致短路发生。

而且，燃料电池发动机工作过程需要不可避免的多次启动/停止、加减速所以氢气供应不足的是情况不可避免的。因此，在阳极燃料供应不足情况下，容易发生电压反转(反极)对MEA造成损伤的问题。

有鉴于此，本发明提供的一种阳极气体扩散电极和燃料电池，更好的克服了上述现有技术存在的问题和缺陷，通过在阳极气体扩散电极的导电微孔层的表面设置电解水催化剂层或者在导电微孔层结构中复合电解水催化剂颗粒，够有效的防止由于发动机启动/停止过程，导致燃料供应不足从而造成反极对燃料电池组件的腐蚀，使得燃料电池电堆整体结构更加稳定、延长其使用寿命。

一种阳极气体扩散电极，包括基底层、导电微孔层和电解水催化剂层，所述基底层、所述导电微孔层和所述电解水催化剂层三者依次叠合。

进一步地，所述基底的厚度为100～300μm。

进一步地，所述导电微孔层的厚度为10～100μm。

进一步地，所述电解水催化层的厚度为0.01～10μm。

进一步地，所述电解水催化剂层包括催化剂颗粒，所述催化剂颗粒的粒径为5～100nm；所述催化剂颗粒在电解水催化剂层中的含量为50％～100％。

进一步地，所述催化剂颗粒为Ru、Ir、Co、Re、Ni、Ta、Sn、Sb及其氧化物中的一种或几种的组合。

进一步地，所述电解水催化剂层还包括用于负载所述催化剂颗粒的载体；所述载体为金属掺杂的SnO₂、金属掺杂的TiO₂、金属掺杂的Ta₂O₅、金属掺杂的Nb₂O₅、TiC、TaC、WC、碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨中的一种或几种的组合。

本发明还提供了一种阳极气体扩散电极，包括基底层和复合有电解水催化剂颗粒的导电微孔层。

进一步地，所述导电微孔层的厚度为10～100μm。

本发明还提供了一种燃料电池，包括依次叠合在一起的阳极气体扩散电极、阳极催化剂层、质子交换膜层、阴极催化剂层和阴极气体扩散电极；所述阳极气体扩散电极为上述的阳极气体扩散电极。

与现有技术相比，本发明的阳极气体扩散电极和燃料电池的有益效果是：

(1)本发明通过在阳极气体扩散电极的导电微孔层的表面设置电解水催化剂层或者在导电微孔层结构中复合电解水催化剂颗粒，够有效的防止由于发动机启动/停止过程，导致燃料供应不足从而造成反极对燃料电池组件的腐蚀，使得燃料电池电堆整体结构更加稳定、延长其使用寿命；另外，增加的电解水催化剂层所占体积很小，并不会增加额外的负担，不影响正常操作情况下的燃料电池CCM的电极反应。

(2)本发明的阳极气体扩散电极具有加工工艺简单，成本低的优势。

综上所述，本发明特殊的结构，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的方法公开发表或使用而确属创新，产生了好用且实用的效果，较现有的技术具有增进的多项功效，从而较为适于实用，并具有广泛的产业价值。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1是本发明实施例1的燃料电池的结构示意图；

图2是本发明实施例2的燃料电池的结构示意图。

主要元件符号说明：

1-基底层；2，2’-导电微孔层；3-电解水催化剂层；4-阳极催化剂层；5-质子交换膜层；6-阴极催化剂层；7-阴极气体扩散电极；8，8’-阳极气体扩散电极。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对阳极气体扩散电极和燃料电池进行更全面的描述。附图中给出了阳极气体扩散电极和燃料电池的实施例。但是，阳极气体扩散电极和燃料电池可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对阳极气体扩散电极和燃料电池的公开内容更加透彻全面。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“A或/和B”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合，例如，可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“横向”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

请参阅图1，一种阳极气体扩散电极8，包括基底层1、导电微孔层2和电解水催化剂层3，所述基底层1、所述导电微孔层2和所述电解水催化剂层3三者依次叠合。

需要说明的是，如图1所示，导电微孔层2可以仅设置在基底层1与阳极催化层接触的一侧面。当然，导电微孔层2还可以设置在基底层1的双侧面，具体根据实际需要设置。

优选地，所述基底层1的厚度为100～300μm如100μm、150μm、200μm、250μm或300μm等。

所述基底层1可列举为多孔碳纤维材质如碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡等。

当然，所述基底层1还可为多孔石墨纸，该多孔石墨纸的孔径为80～500μm如80μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等；所述多孔石墨纸的孔间距为80～160μm如80μm、100μm、120μm、140μm或160μm等。

需要说明的是，上述多孔石墨纸采用蚀刻、烧蚀法例如激光打孔或者机械冲孔等方法在石墨纸上打孔得到，优选通过激光打孔，能够更好地控制基底层1孔隙率，且孔径及孔间距尺度精确可控，可以任意设计以满足阳极气体扩散电极8复杂的水气输运要求，并且修改孔径/间距等加工尺寸快速方便，不存在其他打孔方法修改设计的繁琐问题。

上述阳极气体扩散电极8若采用多孔石墨纸为基底层1，多孔石墨纸基底层1上的孔构成水气传输纵向快速通道，微孔层提供纵向和横向传输路径，以便使水气传输覆盖整个活性面积，且多孔石墨纸基底层1的横向导热能力优于传统纤维基的阳极气体扩散电极8，有利于电池运行时面内不同区域的温度均匀性。

进一步地，还可以在所述基底层1位于设置有所述导电微孔层2的一侧的边缘设置有厚度为10～100μm如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等的增强外框(图中未示出)。

上述通过在基底层1位于设置有导电微孔层2的一侧的边缘设置增强外框，可进一步提高多孔石墨纸的强度，所述增强外框采用聚四氟乙烯或聚酰亚胺材质。

进一步地，所述增强外框的厚度与位于所述基底层1同一侧的所述导电微孔层2的厚度相同，确保整个阳极气体扩散电极8结构的平整性，便于安装于燃料电池中。

需要说明的是，所述电解水催化层3可列举为通过刮涂、丝网印刷、辊涂、喷涂或沉积等方法涂覆在所述导电微孔层2表面，但不仅仅限于这几种。

优选地，所述导电微孔层2的厚度为10～100μm如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等。

优选地，所述电解水催化层3的厚度为0.01～10μm如0.01μm、0.05μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等。

优选地，所述电解水催化剂层包括催化剂颗粒，所述催化剂颗粒的粒径为5～100nm如5nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等。

优选地，所述催化剂颗粒在所述电解水催化剂层中的含量为50％～100％如50％、60％、70％、80％、90％或100％。

以制备所述电解水催化剂层的原料的总重量为100％计，用于制备所述电解水催化剂层的原料还包括Nafion溶液10％～60％，如10％、20％、30％、40％、50％或60％等。

需要说明的是，Nafion溶液为全氟磺酸型聚合物溶液，主要用于传导质子作用，另外，Nafion作为催化剂颗粒的涂层和载体，降低了物质的传输阻力和电极的电阻，大大提高了催化剂颗粒的利用率。

优选地，所述催化剂颗粒为Ru、Ir、Co、Ni、Ta、Re、Sn、Sb及其氧化物中的一种或几种的组合。

优选地，所述载体为金属掺杂的SnO₂、金属掺杂的TiO₂、金属掺杂的Ta₂O₅、金属掺杂的Nb₂O₅、TiC、TaC、WC、碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨中的一种或几种的组合。

请参阅图2，本发明还提供了一种阳极气体扩散电极8’，包括基底层1和复合有电解水催化剂颗粒的导电微孔层2’。

上述复合有电解水催化剂颗粒的导电微孔层2为具备电导接触、疏排水、以及催化电解水功能的多功能导电微孔层2。

需要说明的是，电解水催化剂颗粒与阳极气体扩散电极8的导电微孔层2的复合方法可以通过将电解水催化剂颗粒制成浆料浸渍于导电微孔层2形成弥散分布的电解水功能微层，然后热处理获得附着于导电微孔层2的电解水催化剂颗粒。

电解水催化剂颗粒与阳极气体扩散电极8的导电微孔层2的复合方法还可以直接在气体扩散电极的导电微孔层2制备过程中添加，将上述电解水催化剂颗粒与用于制备导电微孔层2的原料制成混合浆料，以混合浆料的质量为100％计，电解水催化剂颗粒的添加量即电解水催化剂颗粒在导电微孔层中的含量为1％～15％如1％、3％、5％、8％、10％、12％或15％等。

上述催化剂颗粒为Ru、Ir、Co、Ni，Ta，Re、Sn、Sb及其氧化物中的一种或几种的复合氧化物。

优选地，所述导电微孔层的厚度为10～100μm如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种燃料电池，包括依次叠合在一起的阳极气体扩散电极8、阳极催化剂层4、质子交换膜层5、阴极催化剂层6和阴极气体扩散电极7。

所述阳极气体扩散电极8包括基底层1、导电微孔层2和电解水催化剂层3，所述基底层1、所述导电微孔层2和所述电解水催化剂层3三者依次叠合。

需要说明的是，上述阳极催化剂层4、质子交换膜层5和阴极催化剂层6构成膜电极(CCM)，阳极气体扩散电极8和阴极气体扩散电极7与CCM均可以采用常规方法比如热压合在一起。

实施例2

如图2所示，本发明提供了一种燃料电池，包括依次叠合在一起的阳极气体扩散电极8’、阳极催化剂层4、质子交换膜层5、阴极催化剂层6和阴极气体扩散电极7。

所述阳极气体扩散电极8’包括基底层1和复合有电解水催化剂颗粒的导电微孔层2’。

综上所述，本发明的阳极气体扩散电极和燃料电池的有益效果是：

尽管以上较多使用了表示结构的术语，例如“基底层”、“导电微孔层”、“阳极催化剂层”等，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种阳极气体扩散电极，其特征在于，包括基底层、导电微孔层和电解水催化剂层，所述基底层、所述导电微孔层和所述电解水催化剂层三者依次叠合。

2.根据权利要求1所述的阳极气体扩散电极，其特征在于，所述基底的厚度为100～300μm。

3.根据权利要求1所述的阳极气体扩散电极，其特征在于，所述导电微孔层的厚度为10～100μm。

4.根据权利要求1所述的阳极气体扩散电极，其特征在于，所述电解水催化层的厚度为0.01～10μm。

5.根据权利要求1所述的阳极气体扩散电极，其特征在于，所述电解水催化剂层包括催化剂颗粒，所述催化剂颗粒的粒径为5～100nm；所述催化剂颗粒在电解水催化剂层中的含量为50％～100％。

6.根据权利要求5所述的阳极气体扩散电极，其特征在于，所述催化剂颗粒为Ru、Ir、Co、Re、Ni、Ta、Sn、Sb及其氧化物中的一种或几种的组合。

7.根据权利要求5所述的阳极气体扩散电极，其特征在于，所述电解水催化剂层还包括用于负载所述催化剂颗粒的载体；所述载体为金属掺杂的SnO₂、金属掺杂的TiO₂、金属掺杂的Ta₂O₅、金属掺杂的Nb₂O₅、TiC、TaC、WC、碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨中的一种或几种的组合。

8.一种阳极气体扩散电极，其特征在于，包括基底层和复合有电解水催化剂颗粒的导电微孔层。

9.根据权利要求8所述的阳极气体扩散电极，其特征在于，以重量百分比计，所述电解水催化剂颗粒在所述导电微孔层中的含量为1～15％；所述导电微孔层的厚度为10～100μm。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括依次叠合在一起的阳极气体扩散电极、阳极催化剂层、质子交换膜层、阴极催化剂层和阴极气体扩散电极；所述阳极气体扩散电极为权利要求1～9任一项所述的阳极气体扩散电极。