[发明专利]具有两种亲水性的用于燃料电池的电极及其制备方法和包含该电极的膜电极组件和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有两种亲水性的用于燃料电池的电极，制备该电极的方法，以及包含该电极的膜电极组件和燃料电池，更具体地讲，本发明涉及一种能有效地控制催化剂层的水分的用于燃料电池的电极，制备该电极的方法，以及包含该电极的膜电极组件和燃料电池。

背景技术

近来，由于可以预见的如石油和煤的常规能源的枯竭，对替代能源的兴趣与日俱增。燃料电池作为替代能源之一，其优点是具有高效率，不释放如NO_x和SO_x的污染物并且使用的燃料数量丰富，因此燃料电池吸引了公众的注意力。

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能转化为电能的发电体系，一般使用氢和烃(如甲醇或丁烷)作为燃料，并且使用氧气作为氧化剂。

在燃料电池中，膜电极组件(MEA)是用于发电的基本单元，其包括电解质膜和形成在电解质膜的相对的两侧的阳极和阴极。图1图示了燃料电池发电的原理，化学反应式1表示使用氢作为燃料时燃料电池的反应式。参考图1和化学反应式1，燃料的氧化反应发生在阳极以产生氢离子和电子，并且氢离子通过电解质膜移动到阴极。电子和穿过电解质膜的氢离子在阴极与氧气(氧化剂)反应生成水，该反应使电子移动到外部电路。

化学反应式1

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

反应式：H₂+1/2O₂→H₂O

图2图示了用于燃料电池的膜电极组件的通常的构造。参考图2，用于燃料电池的膜电极组件包括电解质膜201，和位于电解质膜201相对的两侧的阳极电极和阴极电极。阳极电极和阴极电极分别包括催化剂层203、205和气体扩散层208。气体扩散层包括电极基板209a、209b和形成在电极基板上的微孔层207a、207b。

在燃料电池里，水分的量是决定电池性能的因素。应该适当地保持引入到电池的水分或在电极产生的水分。

具体地讲，也是反应产物的水分在电极中有助于离子迁移。然而，作为反应产物所产生的水分的量还不足以保证燃料电池的离子导电性，因此通常在湿润条件下运行燃料电池。

然而，过量的水分会阻塞催化剂层或气体扩散层上的微孔。因此，优选燃料电池在低湿度状态下运行以使得只有所需量的水分存在于催化剂层。

同时，当在过低的湿度条件下运行燃料电池时，由于缺乏水分，离子的导电性会变差，结果降低了燃料电池的效率。因此，在适当的低湿度水平运行燃料电池就成了关键问题。

在过去，燃料电池的膜电极组件的催化剂层是通过使用一种含有催化剂和离聚体的墨水涂覆基板来获得的，所以催化剂层完全是均匀的。因此控制催化剂层的水分是困难的。

在这方面，日本早期公开专利公开第2006-286330号披露了一种制备催化剂层具有不同亲水性的电极的方法，其是通过用具有不同亲水性的化合物对催化剂粒子进行表面-重整来实现的。

然而，迫切需要开发出一种甚至在低湿度运行条件下能够适当地使燃料电池的电极的催化剂层保持水分的更加有效的技术。

发明内容

技术问题

因此，本发明的目的是提供一种用于燃料电池的电极，其通过控制催化剂层每个区域的亲水性可保持电极里的水分至适当的水平。

技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种用于燃料电池的电极，其包括与具有槽的隔板相接触的气体扩散层和设置在气体扩散层和电解质膜之间的催化剂层，其中，所述电极的催化剂层有具有不同亲水性的两部分，并且催化剂层面对着槽的部分与不面对着槽的部分相比具有更高的亲水性。

发明者发现日本早期公开专利公开第2006-286330号披露了一种有具有不同亲水性能的区域的催化剂层，但是其效果是不充分的，因为忽视了槽的位置和催化剂层的水分控制之间的相互关系。为了这个原因，如图5所示，在本发明的用于燃料电池的电极中，在隔板210面对着槽的部分21，即对应于直接与具有低湿度的气体接触的气体扩散层208的催化剂层203、205的部分的亲水性提高了，由此降低了被气体带走的水分的量，并且虽然在某种程度上水分被带走了但还能保持充分的湿度。因此，因为适当地保持了电池里的水分，所以可以提高电池的性能。在本发明的电极中，当对水的接触角的差异为2°-20°时，面对着槽的部分和不面对着槽的部分之间的亲水性的差异被认为是合适的，但本发明不限于此。