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      氣體擴散電極及其制造方法

      文檔序號:6848795閱讀:637來源:國知局
      專利名稱:氣體擴散電極及其制造方法
      技術領域
      本發(fā)明涉及燃料電池技術領域,尤其涉及一種燃料電池用氣體擴散電極及其制造方法。
      背景技術
      燃料電池是利用電化學反應來發(fā)電的電池裝置,其自開發(fā)以來一直廣受矚目,目前,美國、日本、加拿大等經(jīng)濟發(fā)達國家政府已制定相關政策發(fā)展燃料電池。燃料電池工作時,燃料氣體(如氫氣)與助燃劑(如氧氣)分別輸送至電池的陽極與陰極,發(fā)生氧化與還原反應,將化學能轉變?yōu)殡娔茌敵觥?br> 燃料電池電化學反應的核心部分是膜電極組(Membrane ElectrodeAssembly,MEA),其構造類似三明治,陰極與陽極中間以質子交換膜連結而形成。陰極與陽極均可采用觸媒電極,兩觸媒電極通常為氣體擴散電極。通常情況下,氣體擴散電極包括氣體擴散層和觸媒層,氣體擴散層的主要功能是使反應氣體到達觸媒層、防止電解液或水的逆滲透、用作電流收集板,此外,還可用來加強電極機械強度,使電極于處理加工或電池組裝時不易損壞觸媒層。
      燃料電池觸媒層性能、電極材料等直接影響電池的工作效能。已有專利及期刊文獻中關于燃料電池觸媒的制備方法主要有兩種,即沉淀法及浸漬法。如美國專利第4,004,193號公開用沉淀法制備Pt/C觸媒的方法,該方法以鉑的亞硫酸鹽為原料,通過與雙氧水反應沉淀為PtOx膠體,然后再將這種PtOx膠體負載到碳黑上,從而得到Pt/C觸媒。浸漬法研究較多,該方法是將鉑以氯鉑酸根或鉑氨絡合離子的形式吸附到碳載體上。如美國第3,857,737號專利公開一種以碳黑為載體,采用鉑氨絡合離子浸漬法制備Pt/C觸媒。
      但是,通過上述制法獲得的Pt/C觸媒是先使鉑以氧化態(tài)或離子態(tài)分散到碳黑載體中,再通過還原或加熱等手段將其轉化為金屬態(tài),在轉化為金屬態(tài)的過程中,鉑容易發(fā)生再凝聚現(xiàn)象而導致分散性降低,無法達到預期的高分散度,且上述制程較為復雜。
      有鑒于此,提供一觸媒分散性好、結晶精細、無孔隙且觸媒層和氣體擴散層結合力好的氣體擴散電極是非常必要的。

      發(fā)明內容以下,將以實施例說明氣體擴散電極及其制造方法。
      為實現(xiàn)上述內容,提供一氣體擴散電極,其包括一氣體擴散層,一觸媒層,一中間層設置于該氣體擴散層和觸媒層之間。
      上述氣體擴散層是一固態(tài)、透氣的導電載體。
      上述中間層材料為催化性金屬。
      上述中間層材料和觸媒層材料相同。
      上述中間層材料包括Ni、Pd、Pt、Ru或Au。
      另,提供一氣體擴散電極的制造方法,其包括以下步驟提供一氣體擴散層;于該氣體擴散層上形成一中間層;于該中間層上形成一觸媒層,從而得到氣體擴散電極。
      上述氣體擴散層上形成中間層前要預先進行疏水處理。
      上述氣體擴散層上形成一中間層采用氣相沉積法,該氣相沉積法包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍。
      上述中間層上形成一觸媒層采用液相沉積法,該液相沉積法為脈沖式電解制程。
      本技術方案的氣體擴散電極,氣體擴散層和觸媒層之間設置有一中間層作為觸媒晶種,使得觸媒層和氣體擴散層之間能夠較好結合,以免影響電極的導電性。另外,該氣體擴散電極的制造過程中,采用氣相沈積法沉積一與氣體擴散層結合力較好的中間層,再以液相沈積法沉積所需厚度的觸媒層,可有效降低成本;優(yōu)選脈沖式電解可得到結晶精細、無孔隙且理化性能好的觸媒層。

      圖1是本發(fā)明實施例的燃料電池單元結構示意圖。
      具體實施方式下面將結合附圖及實施例對氣體擴散電極及其制造方法作進一步詳細說明。
      圖1是本實施例燃料電池單元結構示意圖,該燃料電池單元1包括一電解質膜10,一陽極氣體擴散電極20與一陰極氣體擴散電極30分別位于該電解質膜10的兩側。
      該陽極氣體擴散電極20包括一陽極氣體擴散層210,一陽極觸媒層220,一陽極中間層200設置于該陽極氣體擴散層210與陽極觸媒層220之間。該陰極氣體擴散電極30包括一陰極氣體擴散層310,一陰極觸媒層320,一陰極中間層300設置于該陰極氣體擴散層310與陰極觸媒層320之間。陽極氣體擴散層210與陰極氣體擴散層310的材質通常使用固態(tài)、透氣、導電的碳纖維織物、碳纖維紙等。陽極觸媒層220與陰極觸媒層320的材質可包括Ni(鎳)、Pd(鈀)、Pt(鉑)、Ru(釕)、Au(金)等。陽極中間層200與陰極中間層300的材質均為催化性金屬,如Ni、Pd、Pt、Ru、Au;其最好與觸媒層220、320材質相同,但中間層200、300的形成方法和觸媒層220、320不同,所以中間層和觸媒層結構不同。
      陽極中間層200與陽極氣體擴散層210及陽極觸媒層220之間結合性較好,且陽極中間層200與陽極觸媒層220的厚度成一定比例;同理,陰極中間層300也與陰極觸媒層320的厚度成一定比例。
      本實施例制造氣體擴散電極的方法,包括以下步驟提供一氣體擴散層;對該氣體擴散層進行疏水處理;利用氣相沉積法于該氣體擴散層上形成一中間層,利用液相沉積法于該中間層上形成一觸媒層,從而制得氣體擴散電極。
      以下以陽極氣體擴電極20的制造過程為例進行具體說明首先,提供一陽極氣體擴散層210。陽極氣體擴散層210通常為一固態(tài)、透氣的導電載體,如碳纖維織物、碳纖維紙等,通常厚度約0.3~0.35mm,該種材料作為氣體擴散層時,要進行高溫石墨化處理,使其具有導電性并增加抗蝕性,因電池工作時,電極上發(fā)生化學反應產(chǎn)生的水容易腐蝕電極。
      其次,對該陽極氣體擴散層210進行疏水處理。
      為避免微孔徑被液態(tài)水分子占據(jù),阻礙反應氣體的傳導,陽極氣體擴散層210要預先經(jīng)過疏水處理,使反應氣體與水分子蒸氣能夠順利傳導到觸媒層。陽極氣體擴散層210進行疏水處理,其優(yōu)選采用一種聚合物進行疏水處理,該聚合物通常為聚四氟乙烯,將其分散于氣體擴散層內,聚四氟乙烯不親水,進出電極模塊的水氣不會凝聚于氣體擴散層內,可避免凝聚的水滴造成氣體擴散層的阻塞,從而避免電池工作時效能之降低。
      再次,于疏水處理后的氣體擴散層210上形成一陽極中間層200。
      材料表面形成膜層通常采用原子沉積法,其可分為液相沉積法與氣相沉積法。液相沉積法包括電解、電鍍、無電鍍、電泳等;氣相沉積法包括物理氣相沉積法、化學氣相沉積法等。物理氣相沉積法包括蒸發(fā)、濺鍍、離子鍍等,其中,濺鍍因其具有極佳的沉積效率、大面積沉積厚度的可控性、精確的成分控制等優(yōu)點而被廣泛采用。液相沉積法包括電解、電鍍、無電鍍等。該方法操作簡單,成本低。實際應用中,可將氣相沉積與液相沉積法相結合使用。
      由于陽極氣體擴散層210的材質為碳材,后續(xù)待形成的陽極觸媒層220材質為金屬,若采用液相沉積法直接將陽極觸媒層220形成于陽極氣體擴散層210上,其兩者的結合力較差,勢必影響電極的導電性;若采用氣相沉積法形成一定厚度的陽極觸媒層220,造價又太高。因此,采用氣相沉積技術形成一陽極中間層200作為觸媒晶種,使后續(xù)待形成的陽極觸媒層220與陽極氣體擴散層210較好結合。本實施例優(yōu)選采用濺鍍法于陽極氣體擴散層210上形成陽極中間層200,該陽極中間層200的材質為催化性金屬。
      最后,于陽極中間層200上形成陽極觸媒層220。
      上述陽極中間層200的材質選用催化性金屬,待形成的陽極觸媒層220的材質也為催化性金屬,如Ni、Pd、Pt、Ru、Au等,兩者材質相近最好相同,利用液相沉積法將陽極觸媒層220形成于陽極中間層200上,兩者可達到較好結合。這樣,陽極氣體擴散層210與陽極觸媒層220通過陽極中間層200良好的結合,形成性能良好的陽極氣體擴散電極20。
      陽極觸媒層220具體形成過程為將濺鍍有陽極中間層200的陽極氣體擴散層210作為陰極,惰性電極作為陽極,將陽極與陰極插入電解質溶液中,并將其與一電源連接,電解質溶液可選自氯化釕(RuCl3)、氯化鉑金(H2PtCl6)溶液等。通電后,電解質溶液中的釕離子或鉑離子將會與陰極發(fā)生還原反應,釕離子或鉑離子將被還原為金屬釕或鉑并沉積于陽極中間層200上形成陽極觸媒層220,如金屬釕或鉑,從而制得包括陽極氣體擴散層210、陽極中間層200、陽極觸媒層220的陽極氣體擴散電極20。
      該電解制程優(yōu)選采用脈沖式電解,即,在陽極與陰極之間加脈沖電源,通電后會產(chǎn)生脈沖電流,這樣,陽極觸媒層220具有結晶精細、結合力高、無孔隙且理化性能好等優(yōu)點。
      與上述陽極氣體擴散電極的制造過程相同,以陰極氣體擴散層310為基體制造陰極氣體擴散電極30。
      本技術方案的氣體擴散電極,氣體擴散層和觸媒層之間設置有一中間層作為觸媒晶種,使得觸媒層與氣體擴散層之間能夠較好結合,以免影響電極的導電性。另外,該氣體擴散電極的制造過程中,采用氣相沈積法沉積一與氣體擴散層結合力較好的中間層,再以液相沈積法沉積所需厚度的觸媒層,可有效降低成本;優(yōu)選脈沖式電解可得到結晶精細、無孔隙且理化性能好的觸媒層。
      權利要求
      1.一氣體擴散電極,其包括一氣體擴散層,一觸媒層,其特征在于,一中間層設置于該氣體擴散層和觸媒層之間。
      2.如權利要求1所述的氣體擴散電極,其特征在于,該氣體擴散層為一固態(tài)、透氣的導電載體。
      3.如權利要求1所述的氣體擴散電極,其特征在于,該中間層的材料為催化性金屬。
      4.如權利要求1所述的氣體擴散電極,其特征在于,該中間層的材料和觸媒層材料相同。
      5.如權利要求1所述的氣體擴散電極,其特征在于,該中間層的材料包括Ni、Pd、Pt、Ru或Au。
      6.一種氣體擴散電極的制造方法,其包括以下步驟提供一氣體擴散層;于該氣體擴散層上形成一中間層;于該中間層上形成一觸媒層,從而得到氣體擴散電極。
      7.如權利要求6所述的氣體擴散電極的制造方法,其特征在于,該氣體擴散層為一固態(tài)、透氣的導電載體。
      8.如權利要求6所述的氣體擴散電極的制造方法,其特征在于,該中間層的材料為催化性金屬。
      9.如權利要求6所述的氣體擴散電極的制造方法,其特征在于,該中間層的材料和觸媒層材料相同。
      10.如權利要求6所述的氣體擴散電極的制造方法,其特征在于,該中間層的材料包括Ni、Pd、Pt、Ru或Au。
      11.如權利要求6所述的氣體擴散電極的制造方法,其特征在于,該氣體擴散層上形成中間層之前預先進行疏水處理。
      12.如權利要求6所述的氣體擴散電極的制造方法,其特征在于,該氣體擴散層上形成一中間層采用氣相沉積法。
      13.如權利要求12所述的氣體擴散電極的制造方法,其特征在于,該氣相沉積法包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍。
      14.如權利要求6所述的氣體擴散電極的制造方法,其特征在于,該中間層上形成一觸媒層采用液相沉積法。
      15.如權利要求14所述的氣體擴散電極的制造方法,其特征在于,所述液相沉積法為脈沖式電解制程。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一氣體擴散電極,其包括一氣體擴散層和一觸媒層,一中間層設置于該氣體擴散層和觸媒層之間。另,本發(fā)明還提供該氣體擴散電極的制造方法,其包括以下步驟提供一氣體擴散層;于該氣體擴散層上形成一中間層;于該中間層上形成一觸媒層,從而得到氣體擴散電極。本發(fā)明的氣體擴散電極,氣體擴散層和觸媒層之間設置有一中間層作為觸媒晶種,使得觸媒層與氣體擴散層之間能夠較好結合,以免影響電極的導電性。另,該氣體擴散電極的制造過程中,采用氣相沉積法沉積一與氣體擴散層結合力較好的中間層,再以液相沉積法沉積所需厚度的觸媒層,可有效降低成本;優(yōu)選脈沖式電解可得到結晶精細、無孔隙且理化性能好的觸媒層。
      文檔編號H01M4/88GK1862856SQ20051003468
      公開日2006年11月15日 申請日期2005年5月14日 優(yōu)先權日2005年5月14日
      發(fā)明者黃全德 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司
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