專利名稱：燃料電池的制作方法
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燃料電池 發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及燃料電池。更具體地，本發(fā)明涉及燃料電池，其包括電解 質(zhì)和一對布置在所述電解質(zhì)每一側(cè)上的電極，并且其通過供給電極的反應(yīng) 性試劑(即，燃料和氧化劑)之間的反應(yīng)產(chǎn)生電動勢。
背景技術(shù)：
當(dāng)前存在各種類型的燃料電池，包括堿性燃料電池、磷酸燃料電池、 熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。例如， 在堿性燃料電池中，陰極充當(dāng)從水和所提供的氣氛中的氧氣產(chǎn)生氫氧根離 子的催化劑。產(chǎn)生的氫氧根離子穿過電解質(zhì)到陽極，陽極充當(dāng)使氫氣與氬 氧根離子反應(yīng)形成水的催化劑。燃料電池因此經(jīng)由燃料和空氣的反應(yīng)產(chǎn)生 電動勢。
例如，公開的日文翻譯PCT申請JP-T-4-502980例如描述了尤其適合 作為堿性燃料電池的電極催化劑的電催化材料。在這種電催化材料中，細(xì) 活性炭用作支撐材料，然后在該支撐材料上沉積具有(100)表面的單晶金顆 粒。在上述出版物中描述的堿性燃料電池中，電催化顆粒是高度催化活性 的并將氧氣還原成水或氫氧根，以及當(dāng)存在過氧化氫離子時將過氧化氫離 子還原成水。
然而，用作電催化材料的金是昂貴的金屬。因此，如果這種電解材料 用作電極催化劑，則燃料電池的成本將很可能增加。因此，希望開發(fā)由不 太貴的材料形成但仍具有高度催化活性的電解材料。
此外，尤其是在陰極中，在從氧氣產(chǎn)生氫氧根離子的過程中可能形成 過氧化氫離子。過氧化氫離子是高度反應(yīng)性的，所以如果它們本身到達(dá)電 解質(zhì)，則它們可能損害電解質(zhì)，使它劣化。因此，希望通過俘獲在陰極形成的過氧化氫離子或在陰極使它們分解而抑制它們到達(dá)電解質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明因此提供具有改進(jìn)的電極的燃料電池，該電極是高度催化活性 的并且可以抑制過氧化氫離子到達(dá)電解質(zhì)，同時降低成本。
本發(fā)明的第一個方面涉及燃料電池，它包括電解質(zhì)以及陽極和陰極， 所述陽極和陰極構(gòu)成夾持所述電解質(zhì)布置的電極對。所述陰極包括i)充當(dāng) 從氧氣產(chǎn)生氫氧4艮離子的反應(yīng)的催化劑的催化劑顆粒，和ii)俘獲過氧化氫 離子的俘獲顆粒。
根據(jù)這個第一方面的燃料電池，即使陰極中存在過氧化氫離子，那些 過氧化氫離子也可以可靠地被俘獲顆粒俘獲，因此可以減少到達(dá)電解質(zhì)的 過氧化氫離子的量。因此，可以抑制電解質(zhì)由于過氧化氫離子引起的劣化， 這改進(jìn)燃料電池的耐久性。
所述俘獲顆粒還可以充當(dāng)從過氧化氫離子產(chǎn)生氫氧根離子的反應(yīng)的催 化劑。
這些俘獲顆粒使增加陰極中產(chǎn)生的氫氧根離子的量成為可能，從而改 進(jìn)燃料電池的發(fā)電性能。
所述俘獲顆?？梢园ㄟx自由氧化鈮、二氧化鈦、合成沸石、活性炭 和稀土元素組成的組中的至少一種的顆粒。
此外，俘獲顆粒可以是富勒烯。
讓俘獲顆粒是i)包括選自由氧化鈮、二氧化鈦、合成沸石、活性炭和 稀土元素組成的組中的至少一種的顆粒的顆粒，或ii)富勒烯j吏得能夠可靠 地俘獲過氧化氫離子。結(jié)果，可以抑制電解質(zhì)的劣化。
陰極可以包括i)接觸所述電解質(zhì)的一個側(cè)面布置并包括所述俘獲顆粒 的俘獲層，和ii)接觸所述俘獲層布置并包括所述催化劑顆粒的催化劑層。
根據(jù)這種陰極，即使由催化劑層中的反應(yīng)形成過氧化氫離子，例如， 俘獲層也能夠俘獲那些過氧化氫離子。因此，可以可靠地抑制過氧化氫離 子到達(dá)電解質(zhì)，因此可以有效地抑制電解質(zhì)的劣化。所述陰極可以包括多個電極層，所述電極層之一接觸所述電解質(zhì)布置， 所述多個電極層包括催化劑顆粒和/或俘獲顆粒。另外，所述多個電極層可 以布置成使電極層中俘獲顆粒與包括催化劑顆粒和俘獲顆粒的顆粒的總數(shù) 之比從接觸所述電解質(zhì)的那側(cè)上的電極層開始隨著遠(yuǎn)離所述電解質(zhì)順序降 低。
也就是說，具有高比例俘獲顆粒的電極層可以布置在接觸電解質(zhì)的那 側(cè)上，并且具有高比例催化劑顆粒的電極層可以布置在遠(yuǎn)離電解質(zhì)的外電 極層上。因此，即使在外電極層中的產(chǎn)生氫氧根離子的反應(yīng)中形成過氧化 氫離子，那些過氧化氫離子也可以在向電解質(zhì)移動時4皮俘獲顆粒俘獲。因 此，可以可靠地抑制過氧化氫離子到達(dá)電解質(zhì)，從而有效地抑制電解質(zhì)的 劣化。
具體來說，傳導(dǎo)陰離子的電解質(zhì)易于由于與過氧化氫離子(它們是陰離 子)的接觸而被損害。然而，在具有傳導(dǎo)陰離子的電解質(zhì)的堿性燃料電池的 陰極中提供俘獲層抑制電解質(zhì)受過氧化氫離子的損害。
附圖簡要說明
本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將通過以下參照附圖對示例性 實(shí)施方案的描述變得明朗，在附圖中，同樣的編號用來表示同樣的元素并
且其中


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明第一個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的框圖格式 的視圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明第一個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的電極催化 劑的示意圖3A和3B是顯示根據(jù)本發(fā)明第一個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的電 池電壓和電極催化劑的俘獲層間的關(guān)系的圖表；
圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的用作俘 獲層的俘獲顆粒和陰離子交換膜的耐久性之間的關(guān)系的曲線圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明第二個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的框圖格式
6的視圖6是顯示才艮據(jù)本發(fā)明第三個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的框圖格式 的視圖7A和7B是顯示根據(jù)本發(fā)明的第三個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的 電池電壓和俘獲層之間的關(guān)系的圖表。
實(shí)施方案的詳細(xì)描述
下文中，將參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施方案。另外，在 下面的描述中，相同或相應(yīng)的部件將由相同的參考編號表示并且不再重復(fù) 那些部件的詳細(xì)描述。
圖1是顯示才艮據(jù)本發(fā)明第一個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的結(jié)構(gòu)的框 圖格式的視圖。圖1所示的燃料電池是堿性燃料電池。這種燃料電池具有 陰離子交換膜IO(電解質(zhì))。陽極20布置在陰離子交換膜10的一側(cè)上并且 陰極30布置在陰離子交換膜10的另一側(cè)上。集電器板40布置在所述陽極 20和陰極30兩者的外側(cè)上。與燃料供給源(未顯示)連接的燃料通道50與 在陽極20那側(cè)上的集電器板40連接。燃料經(jīng)由燃料通道50和集電器板 40從燃料供給源提供給陽極20，并且未反應(yīng)的燃料和類似物從陽極20排 放到燃料通道50側(cè)。同時，氧氣通道60與陰極30那側(cè)上的集電器板40 連接?？諝饨?jīng)由氧氣通道60和集電器板40供給陰極30，并且含未反應(yīng)的 氧氣的空氣廢氣從陰極30排放到氧氣通道60側(cè)。
當(dāng)用燃料電池產(chǎn)生電能時，例如將含氫燃料，如乙醇作為燃料供給陽 極20，同時將空氣(或氧氣)供給陰極30。當(dāng)將燃料供給陽極20時，陽極 20的電催化層促進(jìn)燃料中的氫原子和已經(jīng)穿過陰離子交換膜10的氫氧根 離子間的反應(yīng)。結(jié)果，形成水并釋放電子。當(dāng)使用純氫氣作為燃料時，在 陽極20處的反應(yīng)如下面表達(dá)式(l)所示。當(dāng)使用乙醇作為燃料時，在陽極 20處的反應(yīng)如下面表達(dá)式(2)所示。
H2 + 20H— ~> 2H20 + 2e一 ... (1)
CH3CH2OH + 120ET 4 2C02 + 9H20 + 12e一…(2)
7同時，當(dāng)將空氣供給陰極30時，陰極30的陰極催化劑層(將稍后描述) 使空氣中的氧氣分子經(jīng)歷其中它們從電極獲得電子以產(chǎn)生氫氧根離子的若 干階段。氫氧根離子然后穿過陰離子交換膜10到陽極20側(cè)。在陰極30 處的這種反應(yīng)如下面表達(dá)式(3)所示。
1/202 + H20 + 2e一 4 20H— .... (3)
當(dāng)陽極20側(cè)和陰極30側(cè)的反應(yīng)例如上述那些放在一起時，在整個燃 料電池中發(fā)生形成水的反應(yīng)，例如下面表達(dá)式(4)所示的反應(yīng)。此時電子 穿過兩個電極側(cè)上的集電器板40，結(jié)果，產(chǎn)生電流和電能。
H2 + l/202 — H20....(4)
在這種堿性燃料電池中，陰離子交換膜10不受特別限制，只要它是能 夠?qū)㈥帢O30的催化劑電極處產(chǎn)生的氫氧根離子(OIT)輸送到陽極20的介 質(zhì)。更具體地說，陰離子交換膜10可以是例如，具有陰離子交換基例如伯、 仲或叔氨基，季銨基，吡咬基，咪唑基，季吡咬錯基和季咪唑錯基的固體 聚合物膜(即陰離子交換樹脂)。此外，所述固體聚合物的膜可以例如，烴 體系或氟體系樹脂。
圖2是顯示圖1中由虛線(A)包圍的部分的框圖格式的放大圖。如圖2 所示，陽極20由催化劑層形成。也就是說，陽極20(即催化劑層)由催化劑 電極載體(下文中稱作"催化劑載體")制成，所述催化劑載體中每一個均由 攜帶催化劑顆粒24的由碳或類似物制成的載體顆粒22組成。陽極20如下 形成將這些催化劑載體混合在與陰離子交換膜10相同的熔融電解質(zhì)膜的 溶液中，然后將該混合物施加到陰離子交換膜10的一側(cè)表面上。
同時，陰極30至少具有催化劑層32和俘獲層34。催化劑層32與陽 極20的催化劑層相同。也就是說，催化劑層32由催化劑載體形成，所述 催化劑載體中每一個均由攜帶催化劑顆粒24的由碳或類似物制成的載體 顆粒22組成。俘獲層34提供在催化劑層32和陰離子交換膜10之間。該 俘獲層34由俘獲層載體(下面稱作"俘獲載體")形成，所述俘獲載體中每一 個均由攜帶二氧化鈦38作為俘獲顆粒的由碳或類似物制成的載體36組成。 這些俘獲載體將稍后描述。陰極30的催化劑層32為400[nml厚并且俘獲層34為5-30[nm厚。此 外，俘獲層34中的二氧化鈥38與所有俘獲載體的體積之比在10-50Vol%
的范圍之內(nèi)。
俘獲層34如下形成將這些俘獲載體混合在與陰離子交換膜10相同 的熔融電解質(zhì)膜的溶液中，然后將該混合物施加到陰離子交換膜10的與接 觸陽極20的表面相反的那側(cè)上的表面上。催化劑層32如下形成將催化 劑載體混合在電解質(zhì)溶液中，然后將該混合物施加到俘獲層34的表面。
在此，陽極20的催化劑層充當(dāng)從供給的燃料剝奪氫原子并使它們與已 經(jīng)穿過陰離子交換膜10的氫氧根離子反應(yīng)的催化劑，從而產(chǎn)生水(1120)和 釋放電子(e—)到集電器板24,如上面的表達(dá)式(1)和(2)所示。此外，陰極30 的催化劑層32充當(dāng)從集電器板40獲得電子(O并從而由氧氣(02)和水(1120) 產(chǎn)生氫氧根離子的催化劑，如上面表達(dá)式(3)所示。
催化劑層的電極載體不受特別限制，只要它們激活上述陽極20和陰極 30的催化反應(yīng)。更具體地說，例如，催化劑顆粒24可以是Fe、 Co、 Ni 或Pt，或它們的合金。此外，碳或類似物可用作栽體22。
在陰極30的催化劑層32中，不是所有供給的氧氣都如表達(dá)式(3)中那 樣變成氫氧根離子。也可能在產(chǎn)生氫離子的過程中形成過氧化氫離子 (HCV),如下面表達(dá)式(5)所示，并且這些過氧化氫離子可能保留。
02 + H20 + 2e— — H02— + OH—…(5)
如果催化劑層接觸陰離子交換膜布置，如燃料電池的情況那樣，形成 的過氧化氫離子會與氫氧根離子一起以它們本身的形式到達(dá)陰離子交換膜 并穿透陰離子交換膜。過氧化氫離子比氫氧根離子更具反應(yīng)性，所以如果 它們穿透陰離子交換膜，則它們可能損害陰離子交換膜，使陰離子交換膜 劣化。
相反，采用根據(jù)第一個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池，俘獲所形成的過 氧化氫離子以防止它們到達(dá)陰離子交換膜10的俘獲層34布置成接觸陰離 子交換膜IO。更具體地說，俘獲層34的二氧化鈦38俘獲陰極30中的過 氧化氬離子或充當(dāng)使過氧化氫離子與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氧根離子的催化劑，如下面表達(dá)式(6)所示。
H02— + H20 + 2e— 4 30H— ... (6)
因此，即使在催化劑層32中的催化反應(yīng)過程中向俘獲層34的外部(即， 與陰離子交換膜10相反的那側(cè))形成過氧化氫離子，過氧化氫離子也將被 轉(zhuǎn)化為氫氧根離子或在它們試圖穿過俘獲層34時被俘獲層34中的二氧化 鈦38以其本身形式俘獲。因此，可以防止陰離子交換膜IO由于過氧化氫 離子而劣化。此外，同時從過氧化氫離子產(chǎn)生氫氧根離子，因此提高了氧 利用率。因此，可以改進(jìn)燃料電池的發(fā)電效率。
圖3A示出了當(dāng)俘獲層34中的二氧化鈦38的比例(添加量)[Vol。/。l改變 時電壓[V]的變化，俘獲層34的厚度是10[nm且電流密度是0.05[A/cm2。 如圖3A所示，當(dāng)二氧化鈥38的比例是10、 30和60[Vol。/o時，電壓[V] 在所有情況下都高于二氧化鈦的比例是O時的電壓(即，高于僅采用相關(guān)或 常規(guī)MEA時的電壓)。也就是說，無論二氧化鈦的比例如何，通過提供具 有二氧化鈦38的俘獲層34,電池電壓都能在一定程度地提高。然而，為 了獲得更好的發(fā)電性能，10-50[VoP/。](包括兩個端值)的比例是希望的。
圖3B示出了當(dāng)俘獲層34的厚度[nm]變化時檢測的電池電壓[V的變 化，俘獲層34中的二氧化鈦38的含量是10[Vol。/。]且電流密度是 0.05[A/cm2]。從該圖可以看出，無論俘獲層的厚度如何，電池電壓[V]都高 于俘獲層34的厚度是0時的電壓，即高于其中陰極30沒有俘獲層34的 MEA的情況。從這一點(diǎn)可以想到，提供俘獲層34(無論其厚度如何)能夠?qū)?現(xiàn)發(fā)電效率相對于相關(guān)或常規(guī)燃料電池的改進(jìn)。然而，為了更可靠地證實(shí) 這種改進(jìn)發(fā)電性能的功能，優(yōu)選俘獲層34的厚度在5-30[jiml的范圍之內(nèi)， 包括兩個端值。
在此第一個實(shí)施例實(shí)施方案中，二氧化鈦38用作俘獲層34的俘獲顆 粒。然而，本發(fā)明不限于俘獲顆粒是二氧化鈦38。例如，除二氧化鈥38 以外，俘獲顆粒還可以是例如，氧化鈮、合成沸石、活性炭或稀土元素例 如鑭的顆豐立。
圖4示出了當(dāng)將所述顆粒中任一種的顆粒用作俘獲層34的俘獲顆粒時陰離子交換膜10中氫的交叉泄漏(cross-leak)量達(dá)到2[%]所花費(fèi)的時間Hrj。在此，陰離子交換膜IO中氫的交叉泄漏量的提高的原因認(rèn)為是因?yàn)?陰離子交換膜10的劣化已經(jīng)*。因此，在這種情況下，將2[%]的交叉 泄漏量作為陰離子交換膜10的劣化狀態(tài)的基準(zhǔn)，并檢測直到達(dá)到這種基準(zhǔn) 的時間[HrJ。
從圖4可以看出，當(dāng)存在俘獲層34(無論使用氧化鈮、二氧化鈦、合成 淬石、活性炭還是稀土元素)時，陰離子交換膜10劣化比沒有俘獲層34的 常規(guī)MEA要更長的時間，所以很顯然俘獲層34抑制劣化進(jìn)展。此外，當(dāng) 使用稀土元素時，達(dá)到2[%]的交叉泄漏量需要更長時間。具體來說，俘獲 層34對俘獲過氧化氫離子非常有效。然而，除了俘獲過氧化氫離子之夕卜， 還優(yōu)選考慮其他因素確定俘獲層34的俘獲顆粒的類型，例如對于從過氧化 氫離子產(chǎn)生氫氧根離子的反應(yīng)它們有多高的催化活性和它們的電阻是多 低。
另外，本發(fā)明的俘獲顆粒不限于上述類型的顆粒。也就是說，可以使 用其它顆粒代替，只要它們使俘獲層34能夠俘獲過氧化氫離子。此外，俘 獲層34不限于由攜帶這些俘獲顆粒的載體形成。例如，俘獲層34還可以 以直接地使用這些俘獲顆粒的方式結(jié)構(gòu)化。另外，與俘獲顆粒的類型相關(guān) 的這些描述也適用于第二個實(shí)施例實(shí)施方案。
此外，在第一個實(shí)施例實(shí)施方案中，對上述俘獲層34的厚度和顆粒的 比例(即，添加量)給出了值。然而，本發(fā)明的俘獲層不限于上述厚度和比 例。例如，還可以考慮催化劑層32的厚度確定俘獲層34的厚度。更具體 地說，當(dāng)二氧化鈦38用作俘獲顆粒時，俘獲層34的厚度優(yōu)選是催化劑層 32的厚度的15-100%,更優(yōu)選50-100%(即，俘獲層34與催化劑層的厚度 比是15~100 : 100，更優(yōu)選50 ~ 100 : 100)。這也適用于第三個實(shí)施例實(shí)施 方案。
另外，在上面的描述中，兩個電極的催化劑層都由催化劑電極載體形 成，其中催化劑顆粒24栽于載體22上。然而，在本發(fā)明中，催化劑層不 限于這種催化劑載體。例如，催化劑層可以由Fe、 Co、 Ni或Pt或類似物，或具有這些金屬原子作為中心金屬的有機(jī)金屬配合物，或攜帶這類有機(jī)金 屬配合物的栽體制成。此外，由多孔材料或類似物制成的擴(kuò)散層也可以布 置在每一電極的催化劑層的表面上。這也適用于下面的實(shí)施例實(shí)施方案。
此外，此實(shí)施例實(shí)施方案的實(shí)施例實(shí)施方案中描述的燃料電池僅具有
一個MEA,其中電極對(即，陽極20和陰極30)布置在陰離子交換膜10 的各側(cè)上，并且蓄電板40和反應(yīng)氣體通道50或60之一布置在那些電極的 外側(cè)上。然而，本發(fā)明的燃料電池的結(jié)構(gòu)不限于圖1所示的結(jié)構(gòu)。例如， 代替僅具有一個MEA，燃料電池還可以具有堆疊結(jié)構(gòu)，其中多個MEA經(jīng) 由包括集電器板的隔板串聯(lián)連接在一起。在這種情況下，同樣，每一MEA 的陰極30具有上述催化劑層32和俘獲層34，因此可以改進(jìn)燃料電池的發(fā) 電性能，同時可以防止每一MEA的陰離子交換膜10的劣化。另外，在這 種情況下，同樣，擴(kuò)散層也可以布置在陽極20和陰極30兩者的催化劑層 的表面上。這也適用于下面的實(shí)施例實(shí)施方案。
此外，第一個實(shí)施例實(shí)施方案中的燃料電池是使用陰離子交換膜10 的堿性燃料電池。然而，本發(fā)明不限于這種燃料電池。例如，燃料電池也 可以是使用傳導(dǎo)陰離子的電解質(zhì)例如KOH代替陰離子交換膜10的堿性燃 料電池或類似物。在這種情況下，同樣，通過抑制過氧化氫離子穿透電解 質(zhì)可以抑制電解質(zhì)的劣化。當(dāng)應(yīng)用于堿性燃料電池時，在第一個實(shí)施例實(shí) 施方案中的電極也是有效的，但是本發(fā)明不限于堿性燃料電池。也就是說， 本發(fā)明還可以用于使用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)膜的質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEFC)(亦稱聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC))。在這種情況下，同樣可以抑 制過氧化氬離子在陰極形成，而同時可以有效地從過氧化氫離子產(chǎn)生氫氧 根離子。因此，可以抑制電解質(zhì)膜的劣化，同時可以改進(jìn)發(fā)電效率。這也 適用于下面的實(shí)施例實(shí)施方案。
圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明第二個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的框圖格式 的視圖。更具體地說，圖5是顯示圖1中由虛線(A)包圍的部分的框圖格式 的放大圖。圖5中的燃料電池除陰極30的結(jié)構(gòu)之外具有與圖1中的燃料電 池相同的結(jié)構(gòu)。如圖5所示，陽極20布置在燃料電池的陰離子交換膜10
12的一側(cè)上并且陰極70布置在燃料電池的陰離子交換膜10的另一側(cè)上。陽 極20與上述第一個實(shí)施例實(shí)施方案中的陽極20類似。
另一方面，陰極70具有其中多個電極層71-75堆疊在一起的結(jié)構(gòu)。布 置在離陰離子交換膜10最遠(yuǎn)的外部電極層71具有與陽極20相同的結(jié)構(gòu)。 也就是說，僅將其中催化劑顆粒24載于載體22上的催化劑栽體與電解質(zhì) 溶液混合，然后施加這種混合物。
同時，接觸陰離子交換膜10的催化劑層75具有與第一個實(shí)施例實(shí)施 方案中的俘獲層34相同的結(jié)構(gòu)。也就是說，僅將其中二氧化鈦38栽于載 體36上的俘獲栽體與電解質(zhì)溶液混合，并施加這種混合物。
混入催化劑載體和俘獲載體，電極層72-74在最外電極層71和內(nèi)電極 層75之間。俘獲載體與包括催化劑載體和俘獲載體的載體的總數(shù)之比在接 觸陰離子交換膜10的電極層75中是100[%，并在電極層74、 73和72中 按此順序隨著它們離陰離子交換膜10越遠(yuǎn)而逐漸降低直到最外電極層71 中的0[%]。相反，催化劑載體相對于栽體總數(shù)的量在接觸陰離子交換膜 10的電極層75中是0[%，并在電極層74、 73和72中按此順序隨著它們 離陰離子交換膜10越遠(yuǎn)而逐漸提高直到最外電極層71中的100[%]。
從接觸陰極70外側(cè)布置的氧氣通道60供給空氣。因此，在接觸氧氣 通道60的最外電才及層71附近，必須激活從氧氣產(chǎn)生氫氧根離子的催化反 應(yīng)。因此，常規(guī)催化劑載體的比例在最外電極層71中是100[%并朝著遠(yuǎn) 離氧氣通道60的內(nèi)側(cè)逐漸地降低。
同時，當(dāng)已經(jīng)在最外層形成的氫氧^f艮離子穿過并且過氧化氫離子形成 并移到接觸陰離子交換膜10的區(qū)域中的內(nèi)側(cè)時，必須阻止那些過氧化氫離 子穿透該陰離子交換膜IO。因此，使用于俘獲過氧化氫離子或?qū)⑺鼈冝D(zhuǎn)化 成氫氧根離子的俘獲載體的比例越接近陰離子交換膜10越大。此外，為了 可靠地防止過氧化氫離子穿透陰離子交換膜10，將俘獲載體的比例在接觸 陰離子交換膜IO的電極層75中設(shè)置為100[%]。
這樣，具有電極層71-75，且電極層71-75各自具有不同的催化劑載體 與俘獲載體之比的結(jié)構(gòu)使得同時抑制形成的過氧化氫離子穿透陰離子交換膜10，并引起從氧氣有效產(chǎn)生氫氧根離子的催化反應(yīng)成為可能。
另夕卜，在第二個實(shí)施例實(shí)施方案中，陰極70由五個層，即電極層71-75, 形成，其中催化劑載體的比例朝著外部逐漸地提高。然而，陰極70的堆疊 的電極層的數(shù)目不限于五個。也就是說，可以存在任意數(shù)目的堆疊的電極 層，只要存在至少兩個。
此外，本發(fā)明不限于通過上述五個獨(dú)立的電極層調(diào)節(jié)俘獲載體與催化 劑載體的比例。例如，陰極可以僅是一層，其中俘獲栽體和催化劑載體按 經(jīng)調(diào)節(jié)滿足以下*的分布混入其中，即俘獲載體的數(shù)目在接近陰離子交 換膜10的部分中增加，而催化劑栽體的數(shù)目在遠(yuǎn)離陰離子交換膜10的外 部中增力口。
圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明第三個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的框圖格式 的視圖。圖6示出了與圖1中虛線(A)包圍的部分對應(yīng)的部分。圖6中的燃 料電池具有與圖1中的燃料電池類似的結(jié)構(gòu)，不同的是陰極的俘獲層。
更具體地說，圖6中的燃料電池的陰極80具有俘獲層82，其在催化 劑層32內(nèi)側(cè)。俘獲層82是富勒烯(C6o)84與催化劑層一起混入的層。更具 體地說，混入的富勒烯(C60)84的量在包括電解質(zhì)溶液的整個俘獲層82的 重量的5-30[wt。/。范圍內(nèi)，包括兩個端值。此外，俘獲層82的厚度是 5-40[^imj，包括兩個端值。俘獲層82如下形成將催化劑載體和富勒烯 (C6o)84混入電解質(zhì)溶液，并將該混合物施加到陰離子交換膜10的表面上。
富勒烯(C60)84俘獲過氧化氫離子或充當(dāng)將它們還原成氫氧根離子的 反應(yīng)的催化劑。因此，可以通過^f吏用俘獲層82防止過氧化氫離子穿透陰離 子交換膜10并因此抑制陰離子交換膜10劣化，在該俘獲層82中，富勒烯 (C6o)84與催化劑層一起混入代替第一個實(shí)施例實(shí)施方案的包括二氧化鈦 38的俘獲載體。
圖7A是顯示在才艮據(jù)本發(fā)明第三個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池中當(dāng)改 變混入俘獲層82的富勒烯(C60)84的量[wt。/。時所檢測的電池電壓[V的圖 表，俘獲層82的厚度是30[nm且電流密度是0.05[A/cm2]。從圖7A可以 看出，無論富勒烯(C60)84的添加量如何，電池電壓都高于添加量是O時的
14電壓，即高于采用沒有俘獲層的常規(guī)MEA時的電壓。此外，具體來說， 當(dāng)添加量在10-50[wt。/。]的范圍內(nèi)時，電池電壓出現(xiàn)峰值，其中當(dāng)添加量是 30[wt。/。j電池電壓最高。然而，考慮到電池電阻等，優(yōu)選富勒烯(C60)84的 添加量是大約5-30[wt%I,包括兩個端值。
圖7B是顯示當(dāng)改變根據(jù)第三個實(shí)施例實(shí)施方案的燃料電池的俘獲層 82的厚度時電池電壓[V的變化的圖表，俘獲層82中富勒烯(C6。)84的添加 量是30[wt。/。且電流密度是0.05[A/cm2]。如圖7B所示，無論俘獲層82的 厚度如何，電池電壓都高于膜厚度是O時的電壓，即高于采用沒有俘獲層 82的常規(guī)MEA時的電壓。此外，具體來說，當(dāng)俘獲層具有至少10至50 [nm
的厚度(包括兩個端值)時，電池電壓是可靠地高的，其中當(dāng)俘獲層厚度是 30[nm]時電池電壓出現(xiàn)峰值。然而，考慮到電池電阻等，優(yōu)選俘獲層82 的厚度是大約5-40nml，包括兩個端值。
然而，俘獲層不限于10-50[nm]的厚度，即它可以具有不同的厚度。 此外，優(yōu)選考慮催化劑層32的厚度確定俘獲層82的厚度。更具體地說， 俘獲層82的厚度優(yōu)選是催化劑層32的厚度的15-150[%，更優(yōu)選 50-100％]。這種范圍4吏俘獲層82能夠甚至更有效。
另外，在第三個實(shí)施例實(shí)施方案中，富勒烯(C6o)84與催化劑層一起混 入，然后充當(dāng)俘獲層。然而，在此使用的俘獲層顆粒不限于富勒烯C60。
也就是說，俘獲層顆?？梢允瞧渌焕障?，例如由兩個富勒烯(C7Q、 C84或
C6o)構(gòu)成的富勒烯二聚體，或富勒烯Cm或C,s?；蝾愃莆?。
在上述實(shí)施例實(shí)施方案中，就元素、數(shù)量、用量、范圍等的數(shù)目提到 了各種數(shù)值。然而，本發(fā)明不限于那些數(shù)值。此外，本發(fā)明也并不限于上 述實(shí)施例實(shí)施方案中描述的結(jié)構(gòu)和方法步驟等。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，其包括電解質(zhì)；和陽極和陰極，它們構(gòu)成夾持所述電解質(zhì)布置的電極對，其中所述陰極包括i)充當(dāng)從氧氣產(chǎn)生氫氧根離子的反應(yīng)的催化劑的催化劑顆粒，和ii)俘獲過氧化氫離子的俘獲顆粒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述俘獲顆粒還充當(dāng)從過氧化氬離子產(chǎn)生氫氧根離子的反應(yīng)的催化劑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中所述俘獲顆粒包括選自由氧化鈮、二氧化鈦、合成沸石、活性炭和稀土元素組成的組中的至少一種的顆粒。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的燃料電池，其中所述陰極包括i)接觸所述電解質(zhì)的一個側(cè)面布置并包括所述俘獲顆粒的俘獲層，和ii)接觸所述俘獲層布置并包括所述催化劑顆粒的催化劑層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池，其中所述俘獲層的厚度是5-30nm，包括兩個端值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5的燃料電池，其中所述俘獲顆粒載于載體上以致形成俘獲載體，并且所述俘獲層中俘獲顆粒與總俘獲載體的體積之比是10-50Vol.%，包括兩個端值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)的燃料電池，其中所述俘獲層的厚度是所述催化劑層厚度的15-100%，包括兩個端值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池，其中所述俘獲層的厚度是所述催化劑層厚度的50-100%，包括兩個端值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中所述俘獲顆粒是富勒烯。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池，其中所述陰極包括i)接觸所述電解質(zhì)的一個側(cè)面布置并包括所述俘獲顆粒的俘獲層，和ii)接觸所述俘獲層布置并包括所述催化劑顆粒的催化劑層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，其中富勒烯的量是整個俘獲層重量的5-30wt.。/。，包括兩個端值。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11的燃料電池，其中所述俘獲層的厚度是5-40nm，包括兩個端值。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)的燃料電池，其中所述俘獲層的厚度是所述催化劑層厚度的15-150%，包括兩個端值。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的燃料電池，其中所述俘獲層的厚度是所述催化劑層厚度的50-100%，包括兩個端值。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)的燃料電池，其中所述陰極包括多個電極層，所述電極層之一接觸所述電解質(zhì)布置，所述多個電極層包括所述催化劑顆粒和所述俘獲顆粒中的至少一種；和所述多個電極層布置成使所述電極層中所述俘獲顆粒與包括所述催化劑顆粒和所述俘獲顆粒的顆粒的總數(shù)之比從接觸所述電解質(zhì)的那側(cè)上的電極層開始隨著遠(yuǎn)離所述電解質(zhì)順序降低。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)的燃料電池，其中所述電解質(zhì)選擇性地傳導(dǎo)陰離子。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池，其中所述電解質(zhì)是陰離子交換膜。
18. —種燃料電池，其包括電解質(zhì)；和陽極；和陰極，其布置在所述電解質(zhì)的與所述陽極相反的那側(cè)上，使得所述電解質(zhì)夾在所述陽極和所述陰極之間，并包括i)充當(dāng)從氧氣產(chǎn)生氫氧根離子的反應(yīng)的催化劑的催化劑顆粒，和ii)俘獲過氧化氫離子的俘獲顆粒。
全文摘要
在包括電解質(zhì)(10)和構(gòu)成夾持所述電解質(zhì)(10)布置的電極對的陽極(20)和陰極(30)的燃料電池中，陰極(30)包括催化劑顆粒(24)和俘獲顆粒(38)。所述催化劑顆粒(24)充當(dāng)從氧氣產(chǎn)生氫氧根離子的反應(yīng)的催化劑，所述俘獲顆粒(38)俘獲過氧化氫離子。
文檔編號H01M8/10GK101682035SQ200880016778
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者中西治通, 葛島勇介 申請人:豐田自動車株式會社