[发明专利]低温燃料电池电极用PTFE/C复合粉体及应用

说明书

技术领域

本发明涉及低温燃料电池电极，具体说是一种用于低温燃料电池如质子交换膜燃料电池(PEMFC)或直接醇类燃料电池(DMFC)用电极构筑材料PTFE/C复合体粉末及其在电极中的应用。

背景技术

燃料电池是把化学能高效、环境友好地直接转化为电能的发电装置。它具有能量密度大，能量转换效率高，无污染，并且可以根据应用的需要组成不同功率的电池堆等优点，被认为是21世纪高效、节能、环境友好的发电技术。根据所使用电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池(AFC)、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)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等类型。低温燃料电池包括PEMFC和直接醇类燃料电池(DMFC)，具有工艺简单、开发投入相对较少、可在室温下快速起动、可根据负载要求设计系统大小及比功率高等特点，特别适于作为便携式电子产品电源、民用的可移动电源和电动车辆的电源。

低温燃料电池如PEMFC的工作原理以燃料气为H₂/O₂为例：1)氢气通过管道和流场板分配到阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子(即质子)并释放出电子；2)氢离子穿过电解质(质子交换膜)到达阴极，电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路的传递形成电流，通过适当连接可向负载输出电能；3)在电池阴极，氧气通过管道或流场板到达阴极。在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。其中，电极是电化学反应的场所，是低温燃料电池的核心部件。它是由导电支撑层、微孔层与催化层组成的具有多层结构的气体扩散电极。一般而言，支撑层为经憎水处理的碳纸或碳布，微孔层由碳黑和PTFE组成，两者合起来称为扩散层；催化层由电催化剂(如Pt/C或PtRu/C)和质子传导树脂或PTFE构成。为保证电化学反应的顺利进行，电极组件必须具备质子、电子、反应气体和水的连续传递通道。其中电子通道由Pt/C电催化剂承担；气体通道是由经过憎水处理的疏水性孔道充当，PTFE是常用的憎水剂，未经憎水处理的孔道充当产物水的传递通道；全氟磺酸树脂(Nafion)，构成H⁺通道。

电极的制备技术根据催化层结构的不同，可分为憎水电极和亲水电极。其中，憎水电极是目前应用最为广泛的电极制备技术，美国专利(US4876115)披露该技术的主要制备过程为：首先将催化剂与PTFE混合，喷涂于碳纸表面，再经热处理后，浸渍Nafion溶液，烘干后所得。其中PTFE起着粘结剂的作用并以此构成憎水通道，可为电极提供良好的气体通道。但是由于PTFE为绝缘体不传导电极反应中的电子和质子，这样被PTFE所包裹的催化剂就成为无效催化剂。另外，在电极表面浸渍Nafion溶液虽然可以扩展三相反应区，增加催化剂与Nafion的接触面积，扩大了质子的传输通道，但是Nafion溶液通常难以充分地渗入到催化层内部并与催化剂充分接触(一般只能渗入到催化层内10 μm深处)，这样处在靠近气体扩散层附近的大量催化剂由于无法与电解质(如Nafion树脂)接触，无法参与电化学反应，成为无效催化剂，此方法制备的膜电极催化剂的利用率一般只有10-20％(S.Srininvasan，O.A.Velev，A.Parthasarathy，et al.J.PowerSources，1991，36∶299-320)。