[发明专利]三级梯度催化的燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用氢为燃料的质子交换膜燃料电池。具体来说，本发明涉及用于质子交换膜氢燃料电池的膜电极(MEA)，特别是含具有三级梯度分布的催化层的膜电极，及其制备方法。

背景技术

燃料电池是通过燃料和氧化剂之间的化学反应、从而将储存的化学能直接转化为电能的装置。传统化学电池的原电池在发电时，电池内化学物质发生反应，当化学物质消耗光时，电池不再能够发电，与此相对应的是，燃料电池则是一个可连续发电的能量转换发生装置。只要不停地向燃料电池供给燃料和氧化剂，其就能够不停地发电，虽然在实际上，燃料电池由于存在部件老化等原因也有一定的使用寿命。

燃料电池按照电解质划分，可以分成以下几大类：碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物型燃料电池、固体聚合物燃料电池。

其中，固体聚合物燃料电池又被称为质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，其所采用的电解质是固体聚合物膜。这种电解质膜不传导电子，而是传导质子，即氢离子H+。所以，对于质子交换膜氢燃料电池而言，氢气和氧气分别进入阳极(或负极)和阴极(或正极)，并通过电极上的扩散层到达质子交换膜。在质子交换膜的阳极侧，氢气在阳极催化剂的作用下解离成氢离子和电子，而氢离子则在质子交换膜中被逐级传导到阴极，实现质子导电；而阴极则实现氧气分子与到达的氢离子及通过阴极催化剂激发的电子发生反应，生成水。

燃料电池的燃料可以使用如氢、烃类物质、醇类物质等，而氧化剂则使用从空气至不同比例混合的氧气/空气混合物及直至纯氧，以及过氧化氢等。根据所使用的燃料分类，燃料电池也可以被归类为例如氢燃料电池(以氢为燃料)、甲醇燃料电池(以甲醇为燃料)、以及生物燃料电池(以生物质为燃料)等。

燃料电池外表上也是由正极、负极以及电解质构成。以氢燃料电池为例，燃料氢被通入负极，并在其中发生氧化反应，氧气或空气被通入正极，并在其中发生还原反应，依据酸性和碱性反应介质条件，其总电池反应如下：

2H₂(g)+O₂(g)＝2H₂O(g)或2H₂O(l)

燃料电池原电池的理想电动势，就是其在无电流、无过电势时候的电动势，其也称为开路电压。氢燃料电池的开路电压的计算公式为：

E=-Δgf‾2F]]>

其中，Δg_f为反应产物与反应物之间的吉布斯自由能之差，F为法拉第常数，2表示在氢-氧燃料电池反应中有两摩尔电子(或氢离子)发生转移。

以氢气的高热值(HHV)-285.84(kJ/mol)计算：E＝1.48V

以氢气的低热值(LHV)-241.83(kJ/mol)计算：E＝1.25V

在燃料电池的实际运行过程中，其开路电压往往低于或大幅低于理论开路电压，这是由于燃料电池不可逆能量损失的存在造成的；燃料电池的不可逆性，是由以下四个大方面造成的：

1.活化损失(活化极化)

主要是因为发生在电极表面的反应速度过慢导致的。一个电极在可逆情况下，电极上有一定的带电程度，建立了相应的电极电势。当有电流通过电极时，若电极与电解质界面处的反应进行得不够快，将导致电极带电程度的改变，可使电极电势发生偏离。当有电流通过时，由于电化学反应进行的迟缓性造成电极带电程度与可逆情况时不同，从而导致电极电势偏离的现象，其称为“活化极化”或“电化学极化”。电极发生活化极化时，阴极电势总是变得低，而阳极电势总是变得高。因活化极化而造成的电极电势之差的绝对值，称为“活化过电势”。活化过电势的大小是电极活化极化的量度。

2.燃料穿透和内部短路电流

燃料在通过电解质时的浪费导致了能量的损失，通过电解质的电子传导在一定程度上也会导致能量的损失。电解质应该只允许离子通过，然而事实上，总会产生一定数量的燃料扩散和电子流。氢燃料损失和内部短路电流都非常小，通常影响都不是很大。