CN1512611A - 制造燃料电池电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种简化的制造燃料电池用电极的方法，其中不需要单独的形成催化剂层的工序。本方法包括以下步骤：将含催化金属前体、具有微孔的催化剂载体、具有阳离子交换基团的离聚物和溶剂的浆料涂覆到气体扩散层上，形成未还原的催化剂层；在还原气氛中热处理该未还原的催化剂层，以还原催化金属前体，从而形成具有嵌入在催化剂载体微孔中的催化金属颗粒的催化层。由于在形成电极的过程中形成催化剂层，因此可以在短时间内方便地制造含催化剂层的电极，而不必单独地形成催化剂层。该简化方法所需时间短，并且在制造设备要求和成本方面也是有益的。使用本方法可以制造电化学活性良好且催化效率提高的电极燃料电池。

Description

制造燃料电池电极的方法
                          技术领域
本发明涉及一种燃料电池，特别涉及一种用于具有聚合物电解质膜的燃料电池的电极。
                          背景技术
燃料电池被认为是通过燃料与氧气进行电化学反应而产生电能的发电机。因为燃料电池不是以适用于热力发电的卡诺循环为基础，所以它们的理论发电效率非常高。可以使用燃料电池作为包括便携式设备在内的小型电气/电子设备的电源，并用于工业、家庭和运输的电源。
根据电解质的类型，可以将迄今为止已知的燃料电池分为聚合物电解质膜(PEM)电池、磷酸电池、熔融碳酸盐电池、固体氧化物电池及其它种类。因此，根据电池中使用的电解质的类型来确定燃料电池的工作温度和组分材料。
在具有聚合物电解质膜的燃料电池中，向其阳极供应气体燃料如氢气或蒸发的甲醇和水的混合物，或液体燃料如甲醇水溶液作为燃料。特别是，使用蒸发的甲醇和水的混合物或甲醇水溶液作为提供给阳极的燃料的燃料电池被称为直接甲醇燃料电池。
在本发明的整个说明书中，术语“具有聚合物电解质膜的燃料电池”包括具有含聚合物的电解质膜的燃料电池，其中电解质膜可以进一步包括无机物或有机物，并可具有单层或多层结构。
具有聚合物电解质膜的燃料电池可以在室温下使用，并且以大容量方便地制造或小型化。因此，这些燃料电池，例如在零排放的交通工具、住宅发电系统、移动通讯设备、医疗设备、军事装备、航空设备等中具有各种用途。
典型地，具有聚合物电解质膜的燃料电池包括阳极，在那里燃料发生氧化反应；阴极，在那里氧气发生还原反应；和插在阳极和阴极之间的电解质膜，其作为将阳极产生的氢离子迁移到阴极的路径。
每一个阳极和阴极都包括作为反应物和反应产物进/出路径的，并作为集流器的气体扩散层，和含电化学催化氧化反应或还原反应的催化剂的催化剂层。
此催化剂层含催化剂和具有质子交换基团的离聚物。该催化剂可以只含金属催化剂颗粒，或者可以具有多孔催化剂载体如炭黑，或多孔催化剂载体和金属催化剂颗粒。离聚物起粘合剂的作用或作为离子迁移的路径。
制造金属催化剂颗粒方法的例子包括Watanabe等人在Journal ofElectroanl.Chem.，229，395(1987)中提出的含水胶体法以及Bonnemann等人在Angew.Chem.Int.Ed，Bngl.，30(10)，1312(1991)中提出的非水胶体法。
Watanabe等人提出的方法包括通过多个步骤来制造金属复合物中间体，例如，通过向水合氯化铂和第二种金属氯化物的水溶液中加入还原剂如Na2CO3或NaHSO4，水解该中间体来获得金属氧化物，和通过热处理该金属氧化物来制造纳米尺寸的铂合金颗粒。在此方法中，铂合金颗粒的尺寸依据各个步骤中使用的还原剂种类和各个步骤中调整的pH值不同会产生极大的变化。此外，该方法必需进行热处理。
在Bonnemann等人提出的方法中，使用基于四丁铵的还原剂作为表面活性剂来合成表面活性剂稳定的催化剂，随后进行热处理以使表面活性剂与催化剂分离。产生的金属催化剂颗粒具有约2纳米的均匀尺寸，并可以容易地分散在碳载体中。然而，此方法很复杂，并且热处理使粒径略微增加，这是不利的。
在另一个制造金属催化剂颗粒的方法中，向金属氯化物水溶液中加入各种还原剂如硼氢化钠、甲酸钠、硫代硫酸钠或硝基肼来获得纳米尺寸的催化剂颗粒[N.M.Kagan，Y.N.Pisarev，Y.A.kaller，V.A.Panchenko，Elektrokhimiya，9，1498(1973)]。
通常，通过用金属前体溶液浸渍载体，干燥并加热生成物以进行还原来制造催化剂。最近，为了在合成燃料电池催化剂中使用，对此常规方法进行了积极的研究[M.Gotz，H.Wendt，Electrochim.Acta，43，1998，3637]。
美国专利US 5,211,984和US 5,234,777公开了制造燃料电池用电极的方法，其中将含采用上述或其它方法获得的催化剂和离聚物的催化剂浆料涂覆到气体扩散层上，干燥，从而在气体扩散层上形成催化剂层。
在这些制造电极的常规方法中，使用通过单独工序预先制备的催化剂来制造电极，因此催化剂的用量加倍；在制备该催化剂的过程中产生损失，并且在使用该催化剂浆料制造电极的过程中又产生一次损失。
美国专利US 5,084,144和US 6,080,504公开了其它制造电极的方法，其中将气体扩散层浸在金属催化剂前体溶液中，并使用脉冲电压将金属催化剂颗粒结合到载体中。尽管可以用这些方法制造细小的金属催化剂颗粒，但它们难以控制金属催化剂担载的数量。此外，认为用这些方法制造的电极的电化学活性差。因此，这些方法是不实用的。
因此，仍然需要一种简化的方法来制造催化效率高的燃料电池用电极。
                          发明内容
本发明提供一种简化的制造燃料电池用电极的方法，其中不需要形成催化剂的单独工序。
在本发明的一个方面中，提供一种制造燃料电池用电极的方法，该方法包括以下步骤：将含催化金属前体、具有微孔的催化剂载体、具有阳离子交换基团的离聚物和溶剂的浆料涂覆到气体扩散层上来形成未还原的催化剂层；在还原气氛中热处理该未还原的催化剂层以还原催化金属前体，从而形成具有嵌入在催化剂载体微孔中的催化金属颗粒的催化剂层。
                          附图说明
参考附图，通过详细描述本发明示范性的实施方案，将使本发明的上述和其它特点将变得更明显，其中：
图1说明使用根据本发明一个实施方案制造的电极进行X-射线衍射分析的结果；
图2是对比说明根据本发明一个实施方案的燃料电池性能和根据对比例1的燃料电池性能的图，和
图3是对比说明根据本发明另一个实施方案的燃料电池性能和根据对比例2的燃料电池性能的图。
                        具体实施方式
在根据本发明制造燃料电池用电极的一种方法中，将含催化金属前体、具有微孔的催化剂载体、具有阳离子交换基团的离聚物和溶剂的浆料涂覆到气体扩散层上来形成未还原的催化剂层。然后，在还原气氛中热处理该未还原的催化剂层以还原该催化金属前体，这样就将由催化金属前体还原的催化金属颗粒引入到催化剂载体的微孔中。
例如，催化金属颗粒可以来自钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、铝(Al)、钼(Mo)、硒(Se)、锡(Sn)、铂(Pt)、钌(Ru)、钯(Pd)、钨(W)、铱(Ir)、锇(Os)、铑(Rh)、铌(Nb)、钽(Ta)、铅(Pb)或上述(forgoing)金属的混合物。
催化金属前体为金属盐的形式。催化金属前体的例子包括上述催化金属的氯化物、硝酸盐和硫酸盐以及上述材料的混合物。催化金属前体可以是各种催化金属前体的混合物。催化金属前体优选的是铂前体，更优选的是铂前体和钌前体的混合物。铂前体的例子包括但不限于铂的氯化物、铂的硝酸盐、铂的硫酸盐和上述材料的混合物。铂的氯化物的例子包括但不限于六氯铂酸氢(hydrogen hexachloroplatinate)、氯化铂、六氯铂酸钠、四氯铂酸钠、四氯铂酸钾、氯化四胺铂、四氯铂酸四胺铂、六氯铂酸铵、四氯铂酸铵等，它们可以单独或混合使用。铂的硝酸盐的例子包括但不限于硝酸四胺铂(II)、氢氧化四胺铂等，它们可以单独或混合使用。
钌前体的例子包括但不限于钌的氯化物、钌的硝酸盐、钌的硫酸盐和上述材料的混合物。钌的氯化物的例子包括但不限于氯化钌、水合亚硝酰氯钌等，它们可以单独或混合使用。
在本发明中，可以使用铂前体和钌前体的混合物制造具有铂/钌催化剂层的电极。此具有铂/钌催化剂层的电极适合于作为直接甲醇燃料电池的阳极。如果组成该催化剂层的铂或钌的含量太少，则能够由作为催化剂的金属合金获得的效果也微不足道。因此，优选的是按以下的比例混合铂前体和钌前体，使金属组分的原子摩尔比，即铂与钌的比为10∶90-90∶10。
可以在本发明中使用的具有微孔的合适的催化剂载体可包括导电固体粉末，例如具有用于向其中引入催化金属颗粒的微孔的碳粉。碳粉的例子包括炭黑、Ketjen黑、乙炔黑、活性炭粉末、碳纳米纤维粉末和上述材料的混合物。
离聚物在催化剂颗粒的空隙中形成离子迁移网络，以使质子流畅地迁移，并作为使催化剂层保持适当机械强度的粘合剂。在本发明中，使用具有允许质子迁移的阳离子交换基团的离聚物。该阳离子交换基团可选自磺酰基、羧基、磷基、酰亚胺基、磺酰亚胺(sulfonimide)基、磺酰胺基和羟基。
具有阳离子交换基团的离聚物的例子包括但不限于三氟乙烯、四氟乙烯、苯乙烯-二乙烯基苯、α，β，β-三氟苯乙烯、苯乙烯、酰亚胺、砜、磷腈、酮醚(etherether ketone)、环氧乙烷、聚苯硫醚和芳基及它们衍生物的均聚物和共聚物，它们可以单独或混合使用。
具有阳离子交换基团的聚合物的优选例子包括含氟原子的高度氟化的聚合物，其中氟原子至少占聚合物碳主链和侧链中氟原子和氢原子总数的90％。
具有阳离子交换基团的聚合物包括具有作为阳离子交换基团的磺酸盐基团的高度氟化的聚合物，其中氟原子至少占聚合物碳主链和侧链中氟原子和氢原子总数的90％。
正如在美国专利US 3,282,875、US 4,358,545、US 4,940,525和US5,422,411中公开的任何具有阳离子交换基团的聚合物在本发明中都是有效的。例如，可以使用具有由通式MSO2CFRfF2O[CFYCF2O]nCF＝CF2的单体衍生的均聚物，和由该单体和至少一种选自乙烯、卤代乙烯、全氟代α-烯烃和全氟烷基乙烯醚的单体衍生的共聚物。在上述通式中，Rf是一种选自氟和C1-C10全氟化烷基的自由基；Y是一种选自氟和三氟甲基的自由基；n是1到3的整数；M是一种选自氟、羟基、氨基和-OMe基的自由基，其中Me是一种选自碱金属和叔铵基团的自由基。
具有阳离子交换基团的聚合物的另一个例子包括具有基本氟化的碳主链和具有通式-O-[CFR′f]b[CFRf]aSO3Y的侧基(pendent)的聚合物，其中a是0到3的整数；b是0到3的整数；a+b不小于1；Rf和R′f独立地选自卤素原子和基本氟化的烷基；Y是氢或碱金属。
具有阳离子交换基团的聚合物的其它例子包括这样一种磺酸基含氟聚合物，其具有氟化的碳主链和具有通式ZSO2-[CF2]a-[CFRf]b-O-的侧基，其中Z是卤素、碱金属、氢或-OR基；R是C1-C10烷基或芳基；a是0到2的整数；b是0到2的整数；a+b不等于零；Rf选自F、Cl、C1-C10全氟烷基和C1-C10氟氯烷基。
可以使用具有以下通式的聚合物作为具有阳离子交换基团的离聚物：
其中，m是大于零的整数；n、p和q中的至少一个是大于零的整数；A1、A2和A3选自烷基、卤素原子、CyF2y+1，其中y是大于零的整数和-OR基，其中R是烷基、全氟烷基或芳基；CF选自CF2、CN、NO2和OH；X选自SO3H、PO3H2、CH2PO3H2、COOH、OSO3H、OPO3H2、OArSO3H，其中Ar表示芳基、NR3+，其中R是烷基、全氟烷基或芳基，和CH2NR3+，其中R是烷基、全氟烷基或芳基。
可以用于上述浆料的溶剂的例子包括能够溶解催化金属前体、分散催化剂载体并分散或溶解离聚物的单组分和多组分溶剂。这样一种溶剂的优选例子是水和有机溶剂的混合物。有机溶剂的例子包括异丙醇(IPA)、乙酸四丁酯、乙酸正丁酯等，它们可以单独或混合使用。
根据本发明的一个实施方案，可以按以下方法制备浆料。制备催化金属前体溶液和催化剂载体分散体，其中催化金属前体溶液含催化金属前体和能够溶解该催化金属前体的第一种溶剂，催化剂载体分散体含离聚物和能够分散该离聚物和催化剂载体，并能与第一种溶剂混溶的第二种溶剂。然后，将催化金属前体溶液和催化剂载体分散体混合到一起以提供用于形成未还原催化剂层的浆料。第一种溶剂的优选例子是能够溶解氯化物、硝酸盐或硫酸盐形式催化金属前体的水。第一种溶剂更优选的例子包括蒸馏水或去离子水。第二种溶剂的例子包括但不限于异丙醇(IPA)、乙酸四丁酯、乙酸正丁酯等，它们可以单独或混合使用。
除了上述方法之外，在本发明的精神和范围内，还有其它各种制备用于形成未还原催化剂层浆料的方法。
浆料中每种组分的含量没有限制。根据担载到最终电极中的催化剂的所需量来确定催化金属前体和催化剂载体(barrier)的量。在权衡电极的电化学活性与形成离子迁移网络的基础上确定离聚物的用量。可以根据催化金属前体的溶解度、催化剂载体的分散性能、离聚物的分散性能或溶解度和易于涂覆所需的浆料粘度来确定溶剂的用量。可以由本领域普通技术人员根据所需目标电极的性能来确定浆料中每种组分的含量。
将此浆料涂覆到气体扩散层上。气体扩散层的例子包括但不限于炭纸，优选的是防水炭纸，更优选的是具有防水炭黑层的防水炭纸或碳布(carboncloth)。
用于气体扩散层的防水炭纸含约5-50重量％可以被烧结的憎水聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)。在气体扩散层上使用防水材料能够使极性液体反应物和气体反应物都通过气体扩散层。
在具有防水炭黑层的防水炭纸中，防水炭黑层含炭黑和约20-50重量％作为粘合剂的憎水聚合物，例如PTFE。此防水炭黑层附着在如上所述的防水炭纸的一个表面上。烧结该防水炭黑层的憎水聚合物。
将浆料涂覆到如上所述气体扩散层的一个表面上来形成未还原的催化剂层。当由具有防水炭黑层的防水炭纸形成气体扩散层时，将浆料涂覆在该防水炭黑层上。
通过印刷、喷射、刷涂、刮涂等方法将浆料涂覆到气体扩散层上。对涂覆浆料的量或厚度没有限制，并可以根据浆料的组成和担载到目标电极中催化剂的量而进行适当地控制。
在还原气氛中，对在气体扩散层上形成的未还原催化剂层进行热处理。在此热处理的过程中，将未还原的催化剂层还原成具有电化学活性的催化剂层，该催化剂层具有由催化金属前体转变的并嵌入其微孔中的催化金属颗粒。随着溶剂蒸发，粘合剂离聚物使催化剂层变得更硬。结果，制成在气体扩散层上具有催化剂层且具有电活性的电极。
可以通过向加热装置如烘箱或窑炉的加热空间中供应氢气来形成还原气氛。
如果未还原催化剂层的热处理温度太低，则催化金属前体不能被很好地还原。如果此温度太高，未反应的催化剂层的组分可能在化学性质上发生改变。鉴于此，优选的是在例如约150-350℃的温度下处理未反应的催化剂层。
必须适当地控制热处理的持续时间。如果热处理的持续时间太短，则催化金属前体的还原率就太低。加热未还原的催化剂层一段时间后，催化金属的还原率达饱和，并且不再增加。鉴于此，热处理进行例如约0.5-5小时。
在根据如上所述的本发明方法制造的电极中，催化剂层含均匀分布在其中的、具有良好结晶性能且平均粒径为10纳米或更小的催化金属颗粒。
根据本发明的上述方法制造的电极可用作使用氢气或甲醇作为燃料并具有聚合物电解质膜的燃料电池的阳极或阴极。当使用铂前体作为催化金属前体时，得到的电极可用作这种燃料电池的阴极。采用铂前体和钌前体的混合物制造的电极可作为这种燃料电池的阳极。
将参考以下实施例来更详细地描述本发明。以下的实施例用于说明，而不是用于限制本发明的范围。
实施例1：制造Pt/C-催化的电极。
用超声发生器将0.5克硝酸四胺铂溶解在10毫升去离子水中来制备铂前体溶液。用2小时将0.765克Ketjen黑(相当于能够向其中引入30重量％催化金属的量)分散在42毫升异丙醇中，向此溶液中加入10.93克离聚物溶液(5重量％的Nation溶液，购于Dupont)，搅拌该混合物1小时以制备催化剂载体分散体。通过搅拌，将该铂前体溶液和催化剂载体分散体混合到一起以提供用于形成未还原催化剂层的浆料。
用一种浆料涂覆含约20重量％PTFE的炭纸(Toray090，购于日本Toray公司)的一个表面，该浆料是通过将1.6克PTFE含水分散体(约50重量％的PTFE)、1克炭黑(Vulcan XC 72R，购于美国Vulcan公司)和50克异丙醇混合到一起而制备的。在350℃下，在氮气气氛中，热处理涂覆有该浆料的炭纸30分钟以烧结PTFE。担载的炭黑的量约为1.5mg/cm2。将得到的具有炭黑层的炭纸用作气体扩散层，其中炭纸和炭黑层都是防水的。
通过喷涂将用于形成未还原催化剂层的浆料涂覆到气体扩散层的防水炭黑层上，并在管式炉中，在约200℃、氢气气氛下进行热处理约1小时。
对得到的具有Pt/C催化剂层的电极进行X-射线衍射分析。结果示于图1中。图1的结果说明：将具有良好结晶性能的Pt颗粒引入到了电极的催化剂层中。
实施例2：制造直接甲醇燃料电池
使用实施例1中制造的电极作为阴极。使用Nationl15(Dupont的注册商标)作为聚合物电解质膜。
使用市售的催化剂制造掺杂有约8mg/cm2铂-钌合金的阳极。用与实施例1中相同的方法制造用于阳极的气体扩散层。将一种浆料涂覆到炭纸(PlainToray090，购于日本Toray公司)的一个表面上，并在350℃下，氮气气氛中进行热处理30分钟，所述浆料是通过将1.6克PTFE含水分散体(约50重量％的PTFE)、1克炭黑(Vulcan XC 72R，购于美国Vulcan公司)和50克异丙醇混合到一起而制备的。担载的炭黑的量约为1.5mg/cm2。
将聚合物电解质膜放在阳极与阴极之间，并通过在约125℃下，施加约5吨的压力约3分钟而将它们粘合到一起。
在室温下测量得到的膜电极组件(MEA)的性能，同时向阳极供应约2M甲醇水溶液，向阴极供应干燥空气。在这些条件下，测量在提高电流密度下电池电压的变化。结果示于图2和3中。
实施例3：制造Pt-Ru/C-催化的电极
将用超声发生器使0.482克硝酸四胺铂溶解在10毫升去离子水中形成的溶液和0.385克水合亚硝酰氯钌溶解在10毫升去离子水中形成的溶液混合在一起来制备铂-钌前体溶液。用2小时将0.72克Ketjen黑(相当于能够向其中引入30重量％催化金属的量)分散在42毫升异丙醇中，向此溶液中加入10.93克离聚物溶液(5重量％的Nation溶液，购于Dupont)，搅拌该混合物1小时以制备催化剂载体分散体。通过搅拌，将该铂-钌前体溶液和催化剂载体分散体混合到一起以提供用于形成未还原催化剂层的浆料。
用一种浆料涂覆含约20重量％PTFE的炭纸(Toray 090，购于日本Toray公司)的一个表面，该浆料是通过将1.6克PTFE含水分散体(约50重量％的PTFE)、1克炭黑(Vulcan XC 72R，购于美国Vulcan公司)和50克异丙醇混合到一起而制备的。在350℃下，在氮气气氛中，热处理涂覆有该浆料的炭纸30分钟以烧结PTFE。担载的炭黑的量约为1.5mg/cm2。使用得到的具有炭黑层的炭纸作为气体扩散层，其中炭纸和炭黑层都是防水的。
通过喷涂将用于形成未还原催化剂层的浆料涂覆到气体扩散层的防水炭黑层上，并在管式炉中，在约200℃、氢气气氛下进行热处理约1小时。
对得到的具有Pt-Ru/C催化剂层的电极进行X-射线衍射分析。结果示于图1中。图1的结果说明：将具有良好结晶性能的Pt-Ru合金颗粒引入到了电极的催化剂层中。Pt(111)峰或Pt(220)峰证明了将Pt-Ru合金颗粒引入到了电极中，由于在铂晶格中存在钌颗粒造成这两个峰向右移动。换句话说，没有单独的钌峰出现[A.Arico，P.Creti，H.Kim，R.Mantegna，N.Giordamo，V.Antonucci，J.Power Sources，55，1995，159]。为了参照，图1中2θ＝26.3、41.2、44.3和54.2度处的峰与碳有关。
对比例1：制造铂黑催化的电极
将1克市购铂黑(购于美国Johnson Matthey，Inc.)、0.12克Nation(购于Dupont)和15克异丙醇混合到一起来制备用于催化剂层的浆料。将此浆料涂覆到用与实施例1中相同的方法制造的气体扩散层上，并在约80℃下干燥以形成阴极。担载到阴极中铂的量为3.0mg/cm2。
除了使用上述阴极之外，用与实施例2中相同的方法制造MEA。用与实施例2中相同的方法进行性能试验。结果示于图2中。
对比例2：使用通过浸渍制造的Pt/C催化剂来制造电极
将Ketjen黑浸渍在六氯铂酸氢(hydrogenhexachloroplatinic acid)溶解在5毫升异丙醇中形成的溶液中，在约200℃下、氢气氛中进行热处理以获得Pt/C催化剂。
将1克Pt/C催化剂、0.5克Nation(购于Dupont)和50克异丙醇混合到一起，以制备用于催化剂层的浆料。将此用于催化剂层的浆料涂覆到用与实施例1中相同的方法制造的气体扩散层上，并在约80℃下进行干燥以形成阴极。担载到阴极中铂的量为2.8mg/cm2。
除了使用上述阴极之外，用与实施例2中相同的方法形成MEA。用与实施例2中相同的方法进行性能试验。结果示于图3中。
图2是对比说明在本发明的实施例2中制造的燃料电池和在对比例1中制造的燃料电池性能的图。实施例2的燃料电池和对比例1的燃料电池具有相同的聚合物电解质膜和相同的阳极。然而，它们具有不同的阴极；实施例2的燃料电池使用实施例1中制造的阴极，而对比例1的燃料电池使用用市购催化剂制造的阴极。对于实施例2的燃料电池，担载到阴极中铂的量约为1.6mg/cm2，而对比例1的燃料电池约为3mg/cm2。
如图2所示，尽管铂的担载量不同，但是这两种燃料电池的性能却是一样的，这表明：使用本发明方法制造的电极能更加有效地利用催化金属。
图3是对比说明在本发明的实施例2中制造的燃料电池和在对比例2中制造的燃料电池性能的图。实施例2的燃料电池和对比例2的燃料电池具有相同的聚合物电解质膜和相同的阳极。然而，它们具有不同的阴极；实施例2的燃料电池使用实施例1中制造的阴极，而对比例2的燃料电池使用的阴极含单独形成的催化剂。对于实施例2的燃料电池，担载到阴极中铂的量约为1.6mg/cm2，而对比例2的燃料电池约为2.8mg/cm2。
尽管担载到实施例2的阴极中铂的量比担载到对比例2阴极中铂的量少，但是实施例2的燃料电池却比对比例2的燃料电池表现出好得多的性能，这表明：使用本发明方法制造的电极具有良好的电化学活性。此外，由于在形成电极的过程中形成催化剂层，因此可以在短时间内方便地制造含催化剂层的电极，而不必单独地形成催化剂层。根据本发明制造燃料电池电极的简化方法花费的时间短，并且在制造设备要求和成本方面也是有益的。使用本发明的方法可以制造电化学活性良好且催化效率提高的电极燃料电池。
虽然已经参考本发明示范性的实施方案对本发明进行了特别的说明和描述，但本领域普通技术人员可以理解：在形式和细节方面可以进行各种变化而不背离如以下权利要求所限定的本发明精神和范围。

Claims (19)

1.一种制造燃料电池用电极的方法，该方法包括：
(a)将含催化金属前体、具有微孔的催化剂载体、具有阳离子交换基团的离聚物和溶剂的浆料涂覆到气体扩散层上，形成未还原的催化剂层；和
(b)在还原气氛中热处理该未还原的催化剂层以还原催化金属前体，从而形成具有嵌入在催化剂载体微孔中的催化金属颗粒的催化层。
2.权利要求1的方法，其中催化金属前体为金属盐的形式，选自催化金属的氯化物、硝酸盐、硫酸盐和上述材料的混合物。
3.权利要求1的方法，其中催化金属前体是铂前体。
4.权利要求1的方法，其中催化金属前体是铂前体和钌前体的混合物。
5.权利要求4的方法，其中以铂与钌的原子摩尔比为10∶90-90∶10的比例混合铂前体和钌前体。
6.权利要求1的方法，其中催化剂载体是碳粉。
7.权利要求6的方法，其中碳粉包括炭黑、Ketjen黑、乙炔黑、活性炭粉末、碳纳米纤维粉末和上述材料的混合物。
8.权利要求1的方法，其中溶剂是水和有机溶剂的混合物。
9.权利要求8的方法，其中有机溶剂包括异丙醇、乙酸叔丁酯、乙酸正丁酯和上述溶剂的混合物。
10.权利要求1的方法，进一步包括：
将催化金属前体溶解在第一种溶剂中来制备催化金属前体溶液；
将具有微孔的催化剂载体分散在第二种溶剂中，并将具有阳离子交换基团的离聚物溶解在第二种溶剂中来制备催化剂载体分散体；和
将催化金属前体溶液和催化剂载体分散体混合到一起来制备浆料。
11.权利要求10的方法，其中第一种溶剂是水。
12.权利要求10的方法，其中第二种溶剂包括异丙醇、乙酸四丁酯、乙酸正丁酯和上述溶剂的混合物。
13.权利要求1的方法，其中气体扩散层是炭纸。
14.权利要求1的方法，其中气体扩散层是防水的炭纸。
15.权利要求1的方法，其中气体扩散层是具有防水炭黑层的防水炭纸。
16.权利要求19或20的方法，其中防水炭纸含烧结的聚四氟乙烯。
17.权利要求20的方法，其中防水炭纸含烧结的聚四氟乙烯。
18.权利要求1的方法，其中在步骤(b)中，在150-350℃的温度下对未还原的催化剂层进行热处理。
19.权利要求1的方法，其中在步骤(b)中，热处理未还原的催化剂层0.5-5小时。
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