[发明专利]电极催化剂及其制造方法、膜电极组件以及具有该膜电极组件的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及电极催化剂，这种电极催化剂能够确保电化学反应产生的水顺利排出，还涉及该电极催化剂的制造方法、膜电极组件以及具有该膜电极组件的燃料电池。

背景技术

燃料电池一直被视为热门的替代能源。燃料电池可以根据所采用的电解质和燃料分为高分子电解质膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。

在氢燃料电池(如高分子电解质膜燃料电池)中，注入正极的氢气与注入阳极的氧气发生电化学反应，生成直流电、水以及热量。同时，阴极产生的水围绕在催化剂的周围以激活催化剂，这种现象称为“驱油(flooding)”。驱油现象减少了催化剂的活性区，并且妨碍氧气的扩散以及电化学反应，导致燃料电池性能恶化。

为了有效地排出燃料电池电极的电化学反应产生的水，一个尝试是将疏水性粒子与铂/碳(Pt/C)催化粒子均散布在催化层上。疏水性粒子有效地增大了排水量。然而，有些不能被选择性吸收的疏水性粒子会被吸附到催化剂表面，减少了催化剂的活性区。此外，当疏水性粒子的散布量大于所需的量时，也容易导致燃料电池性能变差。

作为排水的替代方案，另一种已经做出的尝试是增加催化层的多孔性。具体地，将造孔剂与Pt/C催化粒子一起散布在催化层上，然后仅将造孔剂选择性地除掉以增加催化层的多孔性。这样通过催化层可以有效地增大排水量，但是随着多孔性的增加，同时催化层的厚度也会增大，使得氧气的扩散性变差，并导致催化层的机械刚度变差。

发明内容

技术问题

本发明的目的在于提供一种电极催化剂，该电极催化剂能在不降低催化剂的活性以及气体扩散性能的前提下保证燃料电池中电极产生的水顺利排出，还能提高燃料电池的电气性能。

本发明的进一步的目的是提供一种电极催化剂的制造方法。

本发明的另一目的是提供具有该电极催化剂的膜电极组件。

本发明的再一目的是提供具有该膜电极组件的燃料电池。

技术方案

本发明提供的电极催化剂包括碳载体和由碳载体承载的金属催化剂，其中热响应聚合物选择性地绑定到碳载体上。

根据一实施例，该热响应聚合物在预设温度或预设温度以上变成疏水性的，该热响应聚合物在预设温度或预设温度以下变成亲水性的。

根据一实施例，该热响应聚合物可以包括结构通式1的重复单元，结构通式1为：

其中，R₁表示氢原子、卤素原子、羧基、羟基、已被取代的或未被取代的C₁-C₂₀烷基、已被取代的或未被取代的C₆-C₃₀芳基、已被取代的或未被取代的C₁-C₂₀异烷基、已被取代的或未被取代的C₅-C₃₀异芳基或者已被取代的或未被取代的C₇-C₃₀烃基芳香烃。根据一实施例，该热响应聚合物可以包括结构通式2的重复单元，结构通式2为：

根据一实施例，该热响应聚合物为结构通式3中的聚酯(N－异丙基丙烯酰胺)，结构通式3为：

其中n的值为10到100000。

本发明另一方面还提供了一种用于燃料电池的电极催化剂的制造方法，包括以下步骤：将热响应端氨基聚合物与由碳载体承载的铂基催化剂在酸溶液中混合；在催化剂的作用下使碳载体与热响应聚合物发生化学反应以生成酰胺键。

本发明另一方面还提供一种膜电极组件，包括阴极、与阴极相对设置的阳极、设置在阴极与阳极之间的电解质膜，其中阴极包含电极催化剂。

本发明另一方面还提供一种具有该膜电极组件的燃料电池。

根据一实施例，该膜电极组件中包含的热响应聚合物在燃料电池的工作温度下变成疏水性的，并在燃料电池的非工作温度下变成亲水性的。

有益效果

本发明的电极催化剂将热响应聚合物通过化学键联绑定到碳载体的表面上。电极催化剂的使用促进了燃料电池工作时阴极生成的水的流动，提升了燃料电池的电气性能。

由于碳载体与热响应聚合物之间选择性地绑定，本发明的电极催化剂的活性表面积不会受到损失，而在基于非选择性吸附的传统的电极催化剂中，这则是一个问题。本发明的电极催化剂实质上不会影响催化层的厚度，避免了气体扩散以及机械刚度方面的问题。