[发明专利]具有分离的电解质分布的燃料电池及其制造方法

说明书

一种制造燃料电池的方法，包括以下步骤：包括：(a)将碳纳米管(CNT)与初始分散液混合，其中所述初始分散液包含离聚物；(b)加热并搅拌初始分散液以形成CNT‑离聚物复合物悬浮液；(c)在形成CNT‑离聚物复合物悬浮液后，将CNT‑离聚物复合物悬浮液与电极催化剂溶液混合以形成电极浆料，其中电极催化剂溶液包括炭黑粉末和由炭黑粉末负载的催化剂；以及(d)将质子交换膜用电极浆料涂覆以形成燃料电池电极。

背景技术

本发明涉及燃料电池，并且更具体地涉及具有分离的电解质分布的燃料电池电极及其制造方法。

燃料电池膜电极组件通常包括夹在负极与正极之间的聚合物电解质膜。在燃料电池操作期间，例如氢气的燃料气体在负极上被氧化，而例如氧气的氧化剂气体在正极上被还原。负极和正极上的电化学氧化还原反应通常由金属催化剂(例如铂)催化。可以高效率地从燃料电池中的这种电化学反应产生电。反应气体(燃料气体或氧化剂气体)具有快速的传输速率和最小的动力学障壁以到达薄电极层中的反应部位，在给定的电池电压下产生更高的电流密度。另外，催化剂通常均匀分布在整个单层电极配置中以确保均匀的电流分布。

发明内容

在燃料电池中，离聚物必须均匀分布在整个电极中以确保足够的质子传输到所有的铂表面。然而，先前的研究表明，铂表面上的离聚物吸附导致反应氧气传输到铂表面的阻力增加，并且当从表面除去离聚物时，可以减轻损失。此外，因为离聚物在燃料电池操作条件下相对流动，所以控制局部离聚物分布是具有挑战性的。本发明描述了具有分离的电解质分布的燃料电池，其允许离聚物在正极层中均匀分布而不涂覆所有铂(Pt)表面。因此，在本发明的燃料电池中，在所有铂表面上发生足够的氧和质子传输以保持良好的高功率性能。另外，本公开描述了制造这种燃料电池的方法。

在通过使用下述方法制造的燃料电池电极中，使离聚物与碳纳米管(CNT)强缔合以使离聚物与铂表面之间的相互作用最小化。代替在一个步骤中将催化剂与离聚物一起混合，在加入催化剂前，先在独立的容器中使离聚物与CNT结合。在预混合步骤期间，使用用于CNT和离聚物的不良溶剂来产生强缔合的CNT-离聚物复合物，将其收集用于随后的浆料制备。这种复合物在水中会充分分散(变黑)并且稳定数日。因为离聚物缠绕在CNT周围，所以CNT与离聚物之间发生强缔合。使用该方法制造的具有正极的燃料电池在高电流密度下测试期间表现出性能的改善(即在2.5A/cm²下40-60mV)。具体地，通过下述方法制造的本发明的电极平衡质子传导和氧气传输，以在燃料电池中的电化学反应期间使能量转换最大化。

制造燃料电池的方法包括以下步骤：(a)将碳纳米管(CNT)与初始分散液混合，其中该初始分散液包含离聚物；(b)加热并搅拌该初始分散液以形成CNT-离聚物复合物悬浮液；(c)在形成CNT-离聚物复合物悬浮液之后，将CNT-离聚物复合物悬浮液与电极催化剂溶液混合以形成电极浆料，其中电极催化剂溶液包括炭黑粉末和负载在炭黑粉末上的催化剂；和(d)用电极浆料涂覆质子交换膜以形成燃料电池电极。

离聚物包含在离聚物分散液中。该方法可以进一步包括将水，正丙醇和离聚物分散液混合以形成初始分散液。将水，正丙醇和离聚物分散液混合包括搅拌水，正丙醇和离聚物分散液。将碳纳米管与初始分散液混合包括将碳纳米管加入初始分散液中，同时搅拌初始分散液。碳纳米管可以是石墨化碳纳米管。初始分散液可以包括80克水，8克正丙醇和1.8克石墨化碳纳米管。碳纳米管可以是直径在10纳米与20纳米之间的多壁碳纳米管。