CN1274044C - 一种用于燃料电池的多孔气体扩散电极及电极的制备方法 - Google Patents

一种用于燃料电池的多孔气体扩散电极及电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池，具体地说是一种用于燃料电池的多孔气体扩散电极及其制备工艺；构成电极催化层的各组分在电极的Z方向(垂直于催化层的方向)上呈梯度分布，宏观上电极催化层分多层结构，例如至少分两层结构，第一层结构由第一催化活性金属同憎水剂及导电离子聚合物组成部分憎水催化层；第二层结构由第二催化活性金属同导电离子聚合物组成亲水催化层，两层复合组成部分憎水部分亲水复合电极。这种电极结构在保持足够的电子传导和质子传递能力的同时，还增强气体特别是以空气作氧化剂时的传质能力，扩大了催化反应有效的三相界面，提高了燃料电池的输出功率密度。

Description

一种用于燃料电池的多孔气体扩散电极及电极的制备方法
发明领域
本发明涉及燃料电池，具体地说是一种用于燃料电池的多孔气体扩散电极及其电极的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的装置，电极是其重要的组成部分，是进行电化学反应的主要场所；电极一般由扩散层，催化层组成。
燃料电池的特性极大地取决于气体扩散电极的结构，尤其是催化层的结构；由于电化学反应是在电催化剂表面的三相界面上进行，反应点有电催化剂，电解质及氢或氧，电化学反应的三相界面被限制在电催化剂和电解质的两维边界处，降低了气体扩散电极的活性，到现在为止人们一直在努力通过各种适于增加反应三相界面的方法来提高多孔气体扩散电极的性能；现有的方法之一是增大固体聚合物电解质膜的表面，从而增大电催化剂和电解质的接触面积[日本专利(JP-A-58-7423)提出一种生产多孔性聚合物电解质膜的方法，日本专利(JP-A-4-169069)提出一种通过溅射方法使固体聚合物电解质膜表面变粗糙的方法]；此方法的缺点是制备繁琐，重现性差，不易放大，工业化比较困难。方法之二是在电催化层中掺入导电离子树脂，由此提高催化剂和电解质的接触面积，即薄层亲水电极制备工艺，美国Wilson等人(Las Alamos国家实验室(LANL))提出了这种电极制备工艺(参见US patent 5211984)，在制备催化层时不加PTFE，由Nafion作粘结剂；这种工艺优点是催化剂和电解质的接触好，催化层中质子、电子传导性好，缺点是由于催化层中没有憎水剂，气体传质通道少，O2/H2传输很困难，所以Wilson等人通常将催化层作得很薄，以减小气体传质阻力。方法之三是催化剂先和PTFE混合制备催化层，然后用导电离子树脂喷涂于上述催化层以实现催化层的立体化(具体参见US P-4876115)，既传统的憎水电极制备工艺；此工艺优点是制备工艺简单，重复性好，缺点是导电离子聚合物和电化学催化剂接触面小，电化学催化剂利用率低，质子传导阻力大等缺点，制约燃料电池使用性能。
上述几种工艺的最大缺陷在于大电流密度运行条件下，气体特别是以空气作氧化剂时的传质能力不足，降低了燃料电池运行的极限电流和功率密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体传质能力强电化学反应三相界面大的多孔气体扩散电极及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
电池电极由气体扩散层和催化层组成，所述催化层由催化活性金属和导电离子聚合物及憎水剂组成，导电离子聚合物及憎水剂沿垂直于催化层的方向上呈梯度分布，其中导电离子聚合物的分布浓度由外向内梯度递增，而憎水剂的分布浓度由外向内梯度递减，在平行于催化剂层的方向上各组分均一分布；催化层中催化活性金属、导电离子聚合物及憎水剂的摩尔数比为1∶0.02～1∶0.05～1。
所述催化层为多层复合，组分含量梯度分布的导电离子聚合物及憎水剂相互交错嵌合；例如催化层可由两层构成，部分憎水催化层由第一催化剂同憎水剂及导电离子聚合物组成；部分亲水复合催化层由第二催化剂同导电离子聚合物组成亲水催化层，两者复合组成部分憎水部分亲水复合催化层。
第一催化剂和第二催化剂为铂黑、碳载铂或金属合金；第一催化剂和第二催化剂可以是相同的催化剂，也可以不同；金属合金可以由以下金属组成：例如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、金(Au)、锇(Os)、铼(Re)、铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)、锌(Zn)、锡(Sn)等活性金属；第一催化剂最好为碳载铂，第二催化剂最好为铂黑。
所述导电离子聚合物是全氟磺酸树酯(例如Dupont公司的NafionTM树酯)或其它磺酸化导电离子聚合物(磺酸化聚醚醚酮树酯S-PEEK)。
在本发明中，两层或多层催化层复合的制备工艺十分重要，它直接影响到电极的电导和传质及质子的传导效率，电极是由催化活性金属和导电离子聚合物和/或憎水剂混合均匀分层制备，第一催化活性金属和导电离子聚合物及憎水剂混合均匀形成第一催化层，或分成一组以上混合均匀，依次复合形成第一催化层，第二催化活性金属同导电离子聚合物混合均匀或分成一组以上混合均匀，作用到第一催化层上实现复合；或者第二催化活性金属同导电离子聚合物混合均匀或分成一组以上混合均匀先作用到导电离子聚合物膜上，然后在其上面复合或依次复合第一催化层；或者一部分第二催化活性金属同导电离子聚合物混合均匀作用到导电离子聚合物膜上，另一部分第二催化活性金属同导电离子聚合物混合均匀作用到第一催化层上，然后两层热压组成梯度分布复合催化层，复合过程可以通过静电喷涂或刮涂实现。本发明中，制备工艺对电极结构有重大影响，不同工艺制备电极组装的燃料电池性能有非常大的差别，喷涂工艺特别是静电喷涂工艺由于制备的电极均匀性好，重复性高，易于实现机械化而在众多的制备工艺有比较大的优势。
组成多孔气体扩散电极催化层各组分在电极的Z方向上呈梯度分布，宏观上电极催化层至少分两层结构，例如第一层结构由第一催化活性金属同憎水剂及导电离子聚合物组成部分憎水催化层；第二层结构由第二催化活性金属同导电离子聚合物组成亲水催化层，两者复合组成部分憎水部分亲水复合电极；微观上组成催化层各组分在电极的Z方向上相互交错嵌合，催化活性物质和导电离子聚合物及憎水剂呈比较合理的梯度分布，导电离子聚合物的分布浓度由外向内是梯度递增的，而憎水剂的分布浓度由外向内是梯度递减的；在垂直Z方向的电极上，上述各组分则是各向均一分布的。
本发明具有如下优点：
1.催化剂利用率。由于催化活性物质和导电离子聚合物或憎水剂都是混合均匀直接接触，有利于改善质子传导的效率，提高催化剂的利用率，复合过程的热处理也使部分导电离子聚合物侧链上的磺酸根脱落而增加憎水性，从而增加气体的传输通道，显著地增强了气体尤其是以空气作氧化剂时的传质能力，大大增加电化学反应有效的三相界面，为下一步降低电极催化剂担量，为实现燃料电池商业化奠定基础。
2.应用效果好。利用本发明制备的燃料电池性能却比常规方法制备的燃料电池性能有显著提高；电极内既有充足的气体传输通道又有足够排水和质子传导通道，可显著改善质子传导的效率，电化学反应有效的三相界面大大增加。
3.制备工艺简单。传统憎水电极和薄层亲水电极是本发明极限条件下的两个特例，本发明是对传统憎水电极和薄层亲水电极理论的重大改进，它回避了片面地把两种工艺方法进行的机械划分，综合了两种工艺的优点，克服了两种工艺方法的不足，增强气体特别是以空气作氧化剂时的气体传质能力，强化了质子传递能力和催化剂的使用效率，扩大了催化反应有效的三相界面，提高了燃料电池输出功率密度，实现电极制备工艺理论的统一。
4.成本低。在本发明中，催化剂担量等于或小于常规电极担量，却又能显著提高燃料电池空气阴极性能。
附图说明
图1应用本发明的燃料电池MEA的截面结构示意图。
图2本发明电极催化层截面结构示意图。
图3采用静电喷涂新工艺和传统工艺制备的复合电极组装的燃料电池空气性能曲线图。
图4采用刮涂工艺和传统工艺制备的多层电极组装的燃料电池空气性能曲线图。
图5采用刮涂工艺和静电喷涂工艺组合制备的多层复合电极组装的燃料电池空气性能曲线图。
具体实施方式
实施例1：采用静电喷涂工艺制备具有两层复合催化结构的电极。
1)取一块5Cm2制备好的扩散层(Toray碳纸自制扩散层)或导电离子聚合物树脂膜(NafionTM112膜50um)，按0.60mg催化剂/cm2扩散层或导电离子聚合物树脂膜，称取John matthey Pt/C催化剂(Pt担量0.3mg/cm2)，放入烧杯中，加入少量的去离子水将催化剂浸透，按50ml无水乙醇/g催化剂，加入无水乙醇。超声振荡，搅拌2分钟，料液呈黑色墨汁状；按重量比Pt/C∶PTFE(干重)＝1∶1，称取PTFE微粉加到料液中，继续超声搅拌2分钟，放入95～98℃的热水浴中充分搅拌5分钟，静置5～10分钟备用；
2)按上述方法配制一杯催化剂乙醇溶液；
3)按重量比Pt/C：导电离子聚合物树脂干重＝1∶1，称取5％(wt.)的导电离子聚合物树脂溶液(NafionTM溶液)滴加到料液中，继续超声搅拌2分钟，放入95～98℃的热水浴中充分搅拌3分钟，静置5～10分钟。将上述制备好的两杯溶液通过静电喷涂分别作用于制备好的扩散层或导电离子聚合物树脂膜上，喷涂完成后用烘箱烘干。氮气保护炉升温前应向炉内装催化层的电极箱中通氮气(流速为1000～1500ml/min)20～25分钟，置换掉电极箱内的氧气。温度升至140～160℃，恒温30～40分钟后，切断氮气保护炉电源。炉内继续通氮气，温度降到100℃以下，停止通氮，焙烧好的带催化剂的扩散层或导电离子聚合物树脂膜热压复合称重。此电极采用新工艺制备，标记为A电极。
比较例：按传统憎水电极制备工艺制作B电极。
配制催化层料液，按1.20mg催化剂/cm2扩散层，称取John matthey Pt/C催化剂(Pt担量0.3mg/cm2)，放入烧杯中，加入少量的去离子水将催化剂浸透，按50ml无水乙醇/g催化剂，加入无水乙醇。超声振荡，搅拌2分钟，料液呈黑色墨汁状。按Pt/C∶PTFE(干重)＝1∶1，称取20％(wt.)的PTFE乳液滴加到料液中，继续超声搅拌2分钟。放入95～98℃的热水浴中充分搅拌3分钟。静置5～10分钟。
取一块5Cm2扩散层(Toray碳纸自制扩散层)，平放在玻璃板上，将配制好的催化剂料液分5～6次转移到扩散层上，用刮刀将料液均匀地涂敷到整个扩散层表面。涂敷完成后用烘箱烘干。氮气保护炉升温前应向炉内装催化层的电极箱中通氮气(流速为1000～1500ml/min)20～25分钟，置换掉电极箱内的氧气。温度升至240～260℃，恒温30～40分钟后，再升温至360±5℃，恒温30～40分钟。切断氮气保护炉电源。炉内继续通氮气，温度降到100℃以下，停止通氮，取出电极保存备用。焙烧好的电极称重，重量损失率≤3％。
电极立体化，根据电极面积，按1mg干导电离子聚合物树脂/cm2电极，称取5％(wt)导电离子聚合物树脂溶液(NafionTM溶液)，加入50ml的烧杯中，再向烧杯中加入等重量的异丙醇，充分摇匀。将混匀的导电离子聚合物树脂/异丙醇溶液倒入小型喷枪中，在氮气压力为0.03～0.05Mpa的条件下，将导电离子聚合物树脂、异丙醇溶液均匀地喷涂在电极的催化层一侧。喷好导电离子聚合物树脂/异丙醇溶液的电极晾干4小时，称重，导电离子聚合物树脂担量为0.78～0.82mg/cm2。保存备用。此电极采用传统工艺制备，作为参比，标记为B电极。
分别取上述实施例1和对比例制备好的电极作阴极，同另一块阳极(自制)分别夹在导电子聚合物树脂膜(NafionTM112膜50um)两侧，加温加压制备MEA，分别标记为A#-MEA和B#-MEA。
实施例2：采用刮涂工艺制备具有两层复合催化结构的电极
取一块5Cm2制备好的扩散层(Toray碳纸自制扩散层)或导电离子聚合物树脂膜(NafionTM112膜50um)，按上述A电极方法配制料液，采用刮涂工艺制备具有复合催化结构的电极，标记为C电极，按上述方法制备MEA，标记为C#-MEA。
按上述B电极方法配制料液，采用刮涂工艺制备参比MEA，标记为D#-MEA，制备好的MEA放到燃料电池评价台上进行评价。
实施例3：采用刮涂和静电喷涂组合工艺制备具有三层复合催化结构的电极，换一种膜制备MEA。
取一块5Cm2制备好的扩散层(Toray碳纸自制扩散层)或导电离子聚合物树脂膜(NafionTM1035膜89um)，按上述A电极方法配制料液，一部分第一催化剂作用到导电离子聚合物树脂膜上，另外一部分催化剂采用静电喷涂工艺制备第一层催化层，采用刮涂工艺制备第二层催化层，按上述方法制备MEA，标记为E#-MEA。制备好的MEA放到燃料电池评价台上进行评价。
燃料电池评价具体操作参数如下：恒温水槽温度为80℃，电池温度为80℃，增湿器温度为78-80℃，氢气入口压力为0.2/MPa，氢气出口压力约为0.2/MPa，空气入口压力为0.2/MPa，空气出口压力约为0.2/MPa，氢气和空气严格按化学计量比调节控制；氢气化学计量比为1.17，空气化学计量比为2.5。
附图简述：
图1表明燃料电池MEA的截面结构，Z方向是指从外到导电离子聚合物脂膜为正方向。(图中1为催化层，2为膜)
图2表明燃料电池MEA的催化层截面结构，由于催化活性物质和导电离子聚合物或憎水剂都是先混合均匀，然后通过静电喷涂或刮涂工艺制备而成。这种工艺扩大了催化活性物质和导电离子聚合物或憎水剂直接接触面积，提高了催化剂的利用率。Z方向上从外向内导电离子聚合物树脂同催化剂的接触浓度呈梯度递增，而憎水剂同催化剂及导电离子聚合物的接触浓度则呈梯度递减。这种电极结构在保持足够的电子传导和质子传递能力的同时，还增强了气体尤其是以空气作氧化剂时的传质能力，扩大了催化反应有效的三相界面，有利于增加大电流密度运行条件下的气体传质能力，提高了燃料电池的输出功率密度。(图中3为扩散层，4为憎水层，5为导电离子聚合物，6为催化剂，7为孔道，8为聚合物膜，9为亲水催化层，5μm)。
图3，采用静电喷涂新工艺和传统工艺制备的复合电极组装的燃料电池空气性能曲线。从图3的对比表明，采用新工艺制备的燃料电池空气性能在大电流密度运行条件下的气体传质能力明显增强，燃料电池的极限电流密度和输出功率密度有显著增加。
图4，采用刮涂工艺和传统工艺制备的多层电极组装的燃料电池空气性能曲线。从图4的对比表明，用刮涂工艺制备的新结构的复合电极组装的燃料电池空气性能也较高，工艺可重复性好。
图5，采用刮涂工艺和静电喷涂工艺组合制备的多层复合电极组装的燃料电池空气性能曲线。图5表明，用刮涂工艺和静电喷涂工艺组合也能完成多层催化剂层的制备，制备的电极用不同的膜组装的燃料电池空气性能也很好，制备工艺能达到新电极结构的要求。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池的多孔气体扩散电极，由气体扩散层和催化层组成，其特征在于：所述催化层由催化活性金属和导电离子聚合物及憎水剂组成，导电离子聚合物及憎水剂沿垂直于催化层的方向上呈梯度分布，其中导电离子聚合物的分布浓度由外向内梯度递增，而憎水剂的分布浓度由外向内梯度递减，在平行于催化剂层的方向上各组分均一分布；催化层中催化活性金属、导电离子聚合物及憎水剂的摩水数比为1∶0.02～1∶0.05～1。
2.按照权利要求1所述的多孔气体扩散电极，其特征在于：所述催化层为多层结构，至少为二层复合，组分含量梯度分布的导电离子聚合物及憎水剂相互交错嵌合，二者同催化活性金属紧密接触组成催化层。
3.按照权利要求1或2所述的多孔气体扩散电极，其特征在于：所述催化层为多层结构，至少为两层，憎水催化层由第一催化剂同憎水剂及导电离子聚合物组成，第一催化剂与憎水剂重量比＝1∶1；亲水催化层由第二催化剂同导电离子聚合物组成第二催化剂与导电离子聚合物重量比＝1∶1亲水催化层，两者复合组成憎水亲水复合催化层。
4.按照权利要求1所述的多孔气体扩散电极，其特征在于：所述第一催化剂和第二催化剂为铂黑、碳载活性金属、碳载活性金属合金或金属合金；活性金属和金属合金由以下金属组成：铂、钯、铑、铱、金、锇、铼、铜、镍、铁、锌、锡。
5.按照权利要求1所述的多孔气体扩散电极，其特征在于：所述第一催化剂为碳载铂，第二催化剂为铂黑。
6.按照权利要求1所述的多孔气体扩散电极，其特征在于：所述导电离子聚合物是全氟磺酸树酯或其它磺酸化导电离子聚合物。
7.一种按照权利要求1所述的多孔气体扩散电极的制备方法，其特征在于：由催化活性金属和导电离子聚合物和/或憎水剂混合均匀分层制备，第一催化活性金属和导电离子聚合物及憎水剂混合均匀形成第一催化层，或分成一组以上混合均匀，依次复合形成第一催化层，第二催化活性金属同导电离子聚合物混合均匀或分成一组以上混合均匀，作用到第一催化层上实现复合；或者第二催化活性金属同导电离子聚合物混合均匀或分成一组以上混合均匀先作用到导电离子聚合物膜上，然后在其上面复合第一催化层；或者一部分第二催化活性金属同导电离子聚合物混合均匀作用到导电离子聚合物膜上，另一部分第二催化活性金属同导电离子聚合物混合均匀作用到第一催化层上，然后两层热压组成梯度分布复合催化层。
8.按照权利要求7所述的多孔气体扩散电极的制备方法，其特征在于：复合过程是通过静电喷涂、喷涂或刮涂实现的。
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