[发明专利]一种高温燃料电池用阴极催化层及其制备和膜电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温燃料电池用阴极催化层，具体的说涉及一种用于提高高温燃料电池阴极氧传质的阴极催化层；

本发明还涉及上述阴极催化层的制备方法；

本发明还涉及由上述阴极催化层制备的膜电极。

背景技术

传统的聚合物电解质膜型燃料电池膜电极中使用的电解质为全氟磺酸类化合物，如商品化的Nafion膜。这类电解质价格昂贵，而且为使该电解质具有高质子电导，电解质膜必须充分水合。该电解质在高温或加湿不充分的条件下易发生失水并降解，使得燃料电池性能显著下降，因而组建的相应燃料电池常压最高工作温度为100℃。而且电解质所需的水通过反应气加湿供给，加湿器增加了燃料电池系统的体积，降低了整体效率。全芳结构的聚苯并咪唑是一类高性能材料，具有极高的耐热性能、优异的力学性能、极好的化学稳定性、良好的介电性质和纺丝性能，在宇航、微电子等领域里得到了广泛的应用。近年来，研究人员发现磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜是一种具有优良抗氧化性和热稳定性的聚合物电解质膜，至250℃高温仍可保持较高质子传导率和一定的力学强度。这类材料在新型低成本高温聚合物电解质膜型燃料电池领域具有潜在的应用前景，因此受到广泛关注。

在上述磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜作为电解质膜的燃料电池中，磷酸通常会渗透到膜电极的催化层中造成气体扩散电极中的部分孔堵塞，而磷酸又是一种溶氧性较差，同时氧气在磷酸中传输速率也很小的液体，因此其在气体扩散电极中的存在必将导致氧气在阴极气体扩散电极中的传输阻力增大进而导致电池性能下降。

中国专利200810069270.2披露了一种有序化抗溺水气体多孔电极的制备方法，该方法将硅油渗入到传统Pt/C气体多孔电极的催化层和扩散层空隙中，干燥后制得有序化抗溺水气体多孔电极。上述电极虽然能部分解决传统质子交换膜燃料电池水淹的问题，但对于高温燃料电池并不试用。不仅如此，由于该专利采用真空抽滤的方法制得，该制备方法一方面容易导致电极破损，另一方面也因渗透不均导致电池性能提高不明显。

中国专利201010567204.5披露了用于质子交换膜燃料电池的阴极扩散层及其制备和应用。该扩散层中添加氧化铈等储氧材料提高氧气在阴极的传质能力，但由于氧化铈不溶于磷酸，因此上述方法也解决不了高温燃料电池存在的氧传质能力差的问题。

发明内容

本专利针对上述问题，在阴极催化层制备中，引入可以提高氧传质速率同时溶氧性能好的硅油，以期降低电池阴极传质极化，提高电池性能。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种高温燃料电池用阴极催化层，阴极催化层中含有氧还原催化剂、粘结剂、疏水剂、硅油和磷酸；

所述硅油的分子式为：

该分子式中，R为C1-C50烷基、苯基或取代苯基；R'为C1-C50烷基、苯基、取代苯基、氢、或分子量小于1000的聚醚链；X为C1-C50烷基、苯基、取代苯基、C2-C50链烯基、氢、羟基、烷氧基、乙酰氧基、三氯甲基、或分子量小于1000的聚醚链；n，m=0-5000的整数，苯基取代基为C1-C4的烷基、氯、C2-C4链烯基。

所述硅油为甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油、乙基含氢硅油、羟基含氢硅油、含氰硅油中一种或两种以上的混合物。

所述阴极氧还原催化剂为Pt/C、Pt黑、PtRu黑、PtRu/C、PtSn/C、PtMo/C、PtFe、PtCo、PtNi、PtPd、PtAu、Pt@Pd/C、Pt@PdIr/C、PdCo@Pd/C、PtFe/C、PtCo/C、PtNi/C、PtPd/C、FeTMPP、WC、Fe/N-C、Co/N-C、Ni/N-C、MnOx/M、PdFe、PdCo、PdNi、PdMo、PdW、PdRe、PdAu、PdCu、NiZr、N-C中的一种或二种以上；

所述阴极催化层中催化剂载量为0.2-6mg·cm^-2。

所述氧还原催化剂与粘结剂的质量比为100：1-5：1；所述氧还原催化剂与疏水剂的质量比为100：1-10：1；所述硅油与氧还原催化剂的质量比为1：10-1：1；所述硅油与磷酸的质量比为1：5-1：850。

所述粘结剂为PBI、PTFE、PFA、ETFE、Nafion、PVDF、PVF中的一种或两种以上；所述疏水剂为PTFE或PVDF。

所述高温燃料电池用阴极催化层的制备方法，其特征在于：阴极催化层的制备包括以下步骤，