[发明专利]燃料电池的膜电极组件、其制造方法以及含有该膜电极组件的燃料电池

说明书

发明领域：

本发明涉及燃料电池领域。更特别的是涉及整合有膜电极组件(MEA)的燃料电池，其中电催化剂是植入在阴离子导电膜上，与之形成均匀不可分的一体。

背景技术：

燃料电池是电化学设备，其将反应的化学能直接转化为电能。在这样的电池中，燃料(通常是氢、醇、碳水化合物或者饱和烃)和氧化剂(通常为空气中的氧气)被连续供应给电极。理论上一个燃料电池只要有燃料和氧化剂供应给电极就能产生电能。实际上，部件的退化和故障限制了燃料电池的实际操作寿命。

现在，已知不同发展阶段的多种燃料电池。鉴于，特别是，有膜电极组件(下称MEA)的燃料电池可以举例如下：H₂为燃料的聚合物电解质燃料电池(PEFCs)、燃料为醇和多元醇(甲醇、乙醇、乙二醇，所提只是少部分)的直接醇燃料电池(DAFC)、更常见的，燃料为任何含氢液体、固体或气体燃料(糖、碳水化合物、醛、饱和烃、羧酸、碱金属硼氢化物、肼)的直接氧化燃料电池(DOFC)。

上述任意燃料电池的特征和基本部件是电解质，其由一个离子交换高分子膜和电极组成。其含有金属或者金属粒子，通常散布于导电的多孔支撑材料上，作用为加速电极反应速率。除了允许离子传输，膜的另一作用是分离反应物(例如在聚合燃料电池中的H₂和O₂，在直接醇燃料电池中的醇和O₂)以及作为电子绝缘体。离子交换聚合物电解质膜可以包括或者一个质子H⁺导电聚合物或者一个阴离子(通常为OH^-)导电聚合物。

电极和膜整体被称为膜-电极组件。现有技术的膜电极组件通常被认为是离子交换聚合物电解质膜，在其两侧都是机械加压电极(在一次是阴极，正极，在另一侧是阳极，负极)。电极通常是由导电的且气体可渗透的材料(例如石墨材料)，在其上沉积有金属络合物、金属或金属粒子，甚至是纳米级的。一般用于使燃料(例如PEFC中的H₂和DAFC中的甲醇或乙醇)氧化的催化剂是铂、铂与其它金属(例如钌、钌-钼、锡)配合，或者与铁和/或钴配合的镍。

对于本领域技术人员已知电极和离子交换膜必须是相互毗邻的，并且这些部件的相互毗邻的最优化会优化燃料电池的性能。甚至，在电极和膜之间的持续接触不必须被保持以便不打断阳极和阴极之间的离子交换。由于许多因素，例如膜和电极导体支撑物的退化，阳极和阴极之间的离子交换会被打断，燃料电池停止工作。未了减少甚至克服这个缺点，电催化剂应该直接沉积在离子交换膜的两个主表面。然而，在质子交换膜用于燃料电池时，由于在电池功能化时形成的水会妨碍氧气的吸收和扩散，阴极侧的膜不能被催化氧气还原反应的金属元素直接金属化。为了其它目的，例如制备具有高氨探测敏感性的金属膜电极(台湾专利No.461925)，Nafion膜的两侧通过催化的镀金属是可行的程序。相似的，美国专利5,906,716描述了阳离子交换膜，其中在所述膜的至少一侧被施加金属粉末以催化H₂和O₂形成水。

日益增加的研究和发展活动关注于阴离子交换膜燃料电池。这些燃料电池具有含有阴离子交换膜的膜电极组件，其可以使得氢氧离子从阴极传导到阳极。使用阴离子交换膜代替阳离子交换膜的优点是多方面的，特别是对于直接醇燃料电池(例如乙醇和甲醇可逆电势E_rev⁰在碱性介质中分别为-0.743和-0.770V，在酸性介质中分别为+0.084和+0.046V)实际上，最有利的氧化电势使得可以在PEFC，DOFC和DAFC中使用非贵金属催化剂(专利申请“无铂电催化剂材料”PCT/EP 2003/006592)替代使用质子交换膜而使用碱性阴离子交换膜的优点是由于水合氢氧离子的电渗透拖曳对抗醇传送减少了醇的渗透。最后，阴离子交换膜的两个主表面可以被催化活性金属材料包衣，因为水是在阳极而不是在阴极生成的。方程式1和2说明了发生在一个装配有阳离子交换膜(1)或阴离子交换膜(2)的直接乙醇燃料电池的阳极处的电化学反应：

(1)C₂H₅OH+3H₂O->2CO₂+12H⁺+12e^-

(2)C₂H₅OH+12OH^-->2CO₂+9H₂O+12e^-