[发明专利]固体聚合物燃料电池及其激活方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体聚合物燃料电池和激活固体聚合物燃料电池的方法。

背景技术

具有聚合物电解质膜的固体聚合物燃料电池容易被构造得紧凑而轻便，因此期望其用作车辆例如电动汽车和小型热电(cogeneration)系统等等的电源。

固体聚合物燃料电池阳极和阴极催化剂层上的电极反应在相应的反应气体、催化剂、和含氟离子交换树脂(电解质)混合的三相界面(在合适的地方将也被称作“反应位置”)上进行。因此，一般地，固体聚合物燃料电池中的催化剂层由作为其材料的比表面积较大的碳黑制成，其负载催化剂金属(例如铂)并被涂布含氟离子交换树脂。该含氟离子交换树脂可与构成聚合物电解质膜的离子交换树脂相同或者不同。

因此，在阳极，在存在三个要素即催化剂、碳颗粒和电解质的情况下产生质子和电子。即，氢气的还原在存在具有质子传导性的电解质和具有电子传导性的碳颗粒和催化剂的情况下进行。因此，负载于碳颗粒上的催化剂量越大，则发电效率越高。对阴极同样如此。但是，因为燃料电池的催化剂由贵金属(例如铂)制成，所以增多负载于碳颗粒上的催化剂会明显增大燃料电池的生产成本。

通常，通过将电解质(例如Nafion(注册商标))和催化剂粉末(例如铂粉末和碳粉末)分散于溶液中制备墨水并浇铸和干燥墨水而制造催化剂层。催化剂粉末的颗粒从数nm到数十nm，因此其进入每个碳载体孔的深处。另一方面，因为电解质聚合物分子尺寸较大并且其为聚集体，所以其不能进入纳米尺寸的孔中，因此认为电解质聚合物仅仅覆盖催化剂的表面。因此，催化剂载体孔中的催化剂颗粒例如铂颗粒未充分接触电解质聚合物，并且对催化剂粉末如此不充分的使用可降低催化剂的性能。

考虑到这一点，日本专利申请公开2002-373662(JP-A-2002-373662)叙述了一种改进发电效率而不提高负载于碳颗粒上的催化剂量的燃料电池电极生产方法。在该方法中，采用含催化剂金属离子的溶液处理含负载催化剂颗粒的颗粒和离子传导聚合物的混合物的电极浆从而通过离子置换使得催化剂金属离子成为离子传导聚合物，然后还原催化剂金属离子。

同时，国际申请公开WO2002/075831描述了固体聚合物燃料电池电极和具有相同电极的固体聚合物燃料电池。在该申请中描述的电极为由负载固体聚合物电解质和催化剂物质的碳颗粒组成的固体聚合物电解质-催化剂复合电极。在该电极中，单层碳纳米角聚集体被用作碳颗粒。每种单层碳纳米角聚集体由集聚为球形的单层碳纳米角(CNH)组成。碳纳米角为特别构造的具有锥形端部的碳纳米管。

WO2002/075831提到“当聚集体用作碳物质以组成固体聚合物电解质-催化剂组合电极时，可提供通过集聚多个聚集体而获得的次级聚集体。在次级聚集体之间存在每个尺寸从几nm到数十nm的孔。因此，组合电极将具有孔状结构。孔有效地促进反应气体例如氧气和氢气的通道形成。当形成次级聚集体时，可在次级聚集体内部负载催化剂材料，并且固体聚合物电极可渗入次级聚集体内部，从而提供良好的催化效率。”WO2002/075831还提到“至少一部分碳分子聚集体或者碳纳米角聚集体10具有不完整的部分。这里所使用的术语“不完整的部分”是指断裂的结构部分。例如，六元环中的碳-碳键被部分切断，或者其中的碳原子丢失，该碳原子组成碳分子或者碳纳米角5。可形成具有其它类型分子的空位或者键。上述不完整的部分可以较大，即碳六元环中的孔。这里其每一个是指“微孔”。该微孔的直径可从0.3至5nm，但是不特别限于此。”

另外，日本专利申请公开2004-152489(JP-A-2004-152489)描述了一种改进燃料电池的催化剂电极的催化剂使用率的技术，其中碳纳米角被用作形成负载催化剂的碳颗粒层的碳材料。根据该技术，混合金属盐溶液和碳纳米角聚集体，并将还原剂添加至混合物并搅拌，从而催化剂金属被负载于每个碳纳米角聚集体的表面上，然后在低温下进行还原，从而控制催化剂金属颗粒的直径。

另外，日本专利申请公开2006-40869(JP-A-2006-40869)描述了一种用于老化直接甲醇燃料电池的常规老化方法。在该老化方法中，对燃料电池充电从而电流在阳极和阴极之间以和其在燃料电池发电时相同的方向流动。通过向阳极供应阳极介质(例如甲醇溶液)同时向阴极供应阴极介质(例如空气)而进行充电。