ltl)、偏磷酸或其派生物组成。磷酸基材料的浓度并未特别限定，可以 是80wt. %、90wt. %、95wt. %或98wt. %。例如，可以使用80wt. %到IOOwt. %的磷酸水溶 液。
[0084] 与传统的使用一般催化层的膜电极组件相比，本发明的膜电极组件可以确保来自 阴极的水有效地排出，有助于得到良好的电池性能，
[0085] 本发明的燃料电池可以在60°C到300°C的温度下工作。如图3所示，通过一个双 极板20将燃料（例如氢气）供应至一个催化层，并通过相对的另一个双极板20向另一催 化层供应氧化剂（例如氧气）。在催化层中，氢气被氧化生成氢离子（H +)。氢离子被引导着 穿过电解质膜100并抵达相对的催化层，在该相对的催化层中，氢离子与氧气发生电化学 反应并生成水（H 2O)和电能。可以通过改进碳氢化合物或酒精获取作为燃料供应的氢气。 含有氧气的空气可以用作氧化剂。
[0086] 以下将参照实例对本发明进行解释。然而，这些实例并不用于限定本发明的范围。
[0087] 实例 I :Pt/C_PNIPAM 的合成
[0088] 将Pt/C(40wt%，Johnson Matthey)与结构通式4表不的PNIPAM(Aldrich)端氨基 一起散布在pH值为1. 6的酸溶液中。该酸溶液由300mL的异丙醇（IPA，Aldrich)和0. 6mL 的HClO4(Aldrich)组成。溶液搅拌混合1小时后，将1-乙基-3碳化二亚胺（3-二甲氨基 丙基）（EDC，Fluka)作为催化剂加入搅动的溶液中，以引发碳表面的-COOH与PNIPAM端氨 基的-NH2发生酰胺反应。在EDC引发的酰胺反应进行12小时后，使用超量的去离子（DI) 水对该溶液进行过滤、清洗。过滤的Pt/C-PNIPAM在60°C下干燥，最终，将Pt/C-PNIPAM粉 末沉积在研钵里。
[0089] 结构通式4为：
[0090]
[0091] 其中n的值为25。
[0092] 实例2:膜电极组件（MEA)制备
[0093] 在这个实例中，制备膜电极组件，其阴极包含PNIPAM。
[0094]通过混合 6. 3mg 的 Pt/C_PNIPAM、Nafion 离聚物溶液（Aldrich) (N/C 比为 0? 5)以 及IPA (0. 63mL)来制备用于含有PNIPAM的阴极催化层的催化剂浆料。其中使用经预处理 的Nafion212膜（DuPont)。催化剂浆料在3 %的过氧化氢溶液中煮沸，去离子水中冲洗。 然后，催化剂浆料浸泡在0. 5M的H2SO4*，并再次用去离子水冲洗。溶液中的每一步骤都在 80°C下处理1小时。将备好的催化剂浆料喷射到Nafion212膜的阳极和阴极部件上。
[0095] 镀覆有催化剂的膜在室温下干燥12小时，夹在阳极与阴极气体扩散层（SGL35BC) 之间，无需进行热压处理。MEA的活性几何区面积为5cm 2。对比实例1:膜电极组件（MEA) 制备
[0096] 在这个实例中，制备膜电极组件，其阴极中不含有PNIPAM。
[0097] 通过混合6. 3mg未处理的Pt/C、Naf ion离聚物溶液（Aldrich) (N/C比为0? 5)以 及IPA(0.63mL)来制备用于具有PNIPAM的阴极催化层的催化剂浆料。其中使用经预处理 的Nafion212膜（DuPont)。催化剂浆料在3 %的过氧化氢溶液中煮沸，去离子水中冲洗。 然后，催化剂浆料浸泡在0. 5M的H2SO4*，并再次用去离子水冲洗。溶液中的每一步骤都在 80°C下处理1小时。将备好的催化剂浆料喷射到Nafion212膜的阳极和阴极部件上。
[0098] 镀覆有催化剂的膜在室温下干燥12小时，夹在阳极与阴极气体扩散层（SGL35BC) 之间，无需进行热压处理。MEA的活性几何区面积为5cm 2。实验实例1
[0099] 对于实例2和对比实例1中制备的单元电池，每个催化表面都由X射线光电子能 谱（XPS)进行分析。结果如图5所示。
[0100] 从图5所示的结果中可以得知，包含在实例2的催化层中的Pt/C-PNIPAM在 400. 5eV处出现的Nls峰，表示PNIPAM确实位于Pt/C上，并且在碳表面与PNIPAM之间形成 了酰胺键。此外，这就确定了 PNIPAM只选择性地绑定到碳表面上，而对Pt表面没有影响。
[0101] 实验实例2
[0102] 以100mV/s的速度在0. 05V与1.0 V之间进行循环伏安（CV)扫描以便对实例2和 对比实例1制备的阴极催化层的电化学活性表面（EAS)进行比较（图6)。
[0103] 分别将加湿的H2(50mL/min)和N 2(200mL/min)供应给阳极和阴极，单元电池在 150°C下工作且保持100%的相对湿度。
[0104] 如图6所示，实例2和对比实例1制备的阴极催化层在整个电压区的循环伏安 (CV)扫描彼此相似，Pt/C-PNIPAM的EAS与Pt/C的EAS相似。基于这些观察，可以推断出 PNIPAM并不与钼纳米粒子联接，且很难对Pt催化剂的结构产生影响。
[0105] 图7和图8分别为对比实例1和实例2中获得的催化层的SEM图像。SEM图像示 出了 Pt/C和Pt/C-PNIPAM的催化层中相似的厚度，这就意味着这些催化层具有相似的结构 和粒子分布。也就是说，具有亲水性表面的Pt/C-PNIPAM在室温下也可以良好地分散在催 化剂浆料中。
[0106] 实验实例3
[0107] 为了说明燃料电池的性能取决于电池温度，按照与实验实例2相同的方式，分别 在101：、251：、301：、401：和501：下对实例2和对比实例1制备的1^4进行测试。
[0108] 单元电池由多个冰块围绕以降低电池温度。当电池温度降到预定温度以下时，开 始性能测试，并通过单元电池中的加热棒保持这一温度。
[0109] 图9中示出了由电池温度决定的最大的功率密度之间的差异，并在图10中示出了 伏安关系。
[0110] 如图9所示，在温度小于30°C时，这个差异是微不足道的。这是因为在低温下具 有Pt/C-PNIPAM的阴极的亲水性与具有Pt/C的阴极的亲水性相似。然而，在大于30°C时， Pt/C-PNIPAM与Pt/C之间的亲水性差异以~0. 10W/cm2速率增加，这是Pt/C-PNIPAM的碳 表面的亲水性的变化所造成的。因此，可以推断出Pt/C-PNIPAM的碳表面的PNIPAM在排出 阴极中的水的过程中起着关键作用。
[0111] 从图10所述的伏安曲线中可以看出，在0.7V以上的电压区中，实例2与对比实 例1的电池性能并未存在明显的差异，但是由于质量传递的增大，实例2的电池性能在低于 〇. 7V的，容易产生驱油现象的电压区中可以得到提升。
【主权项】
1. 一种电极催化剂，其特征在于，包括碳载体和由所述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所述碳载体上。2. 根据权利要求1所述的电极催化剂，其特征在于，所述热响应聚合物在预设温度或 预设温度以上变成疏水性的，在预设温度或预设温度以下则变成亲水性的。3. 根据权利要求1所述的电极催化剂，其特征在于，所述热响应聚合物包括具有结构 通式1的重复单元，结构通式1为：其中，&表示氢原子、卤素原子、羧基、羟基、已被取代的或未被取代的CfC%烷基、已被 取代的或未被取代的C6-C3(l芳基、已被取代的或未被取代的CfC%异烷基、已被取代的或未 被取代的C5-C3(l异芳基，或者已被取代的或未被取代的C7-C3(l烃基芳香烃。4. 根据权利要求1所述的电极催化剂，其特征在于，所述热响应聚合物包括具有结构 通式2的重复单元，结构通式2为：5. 根据权利要求1所述的电极催化剂，其特征在于，所述热响应聚合物为具有结构通 式3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。6. 根据权利要求1所述的电极催化剂，其特征在于，所述金属催化剂为钼催化剂。7. -种制备根据权利要求1的用于燃料电池的电极催化剂的方法，其特征在于，包括： 将热响应端氨基聚合物与由碳载体承载的钼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。8. -种膜电极组件，其特征在于，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； 其中阴极包含如权利要求1-5中任意一项所述的电极催化剂。9. 一种燃料电池，其特征在于，包括根据权利要求8所述的膜电极组件。10. 根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述膜电极组件中的热响应聚合物 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。
【专利摘要】本发明涉及电极催化剂，该电极催化剂的制备方法、膜电极组件以及具有该膜电极组件的燃料电池。电极催化剂包括碳载体和由所述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所述碳载体上。该电极催化剂可以确保电化学反应中生成的水顺利排出，实现燃料电池电气性能的提升。
【IPC分类】H01M4/86, H01M4/90, H01M8/02
【公开号】CN104995774
【申请号】CN201380003735
【发明人】金相彣, 郑南杞, 徐甲亮, 成永恩, 崔万秀
【申请人】多次元能源系统研究集团, 首尔大学校产学协力团
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2013年10月24日
【公告号】US20150162619, WO2015060477A1