[发明专利]提升燃料电池膜电极阴极催化层性能的方法

说明书

本发明揭示了一种提升质子交换膜燃料电池阴极催化性能的制备方法，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、导电性碳颗粒。通过在阴极催化层中添加一定比例的疏水性粘结剂，可以有效提高阴极催化层的水管理性能，促进阴极催化层内部水的排出。同时，掺入经酸处理的导电性碳颗粒有助于提高阴极催化层的孔隙率和导电性，减小浓差极化。本发明提出的提升质子交换膜燃料电池阴极催化性能的阴极催化层制备方法，可极大缓解阴极催化层水淹造成的燃料电池性能不稳定，提升反应物向催化层内部传递的效率，提高燃料电池性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种用于质子交换膜燃料电池电堆的膜电极。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能源转化装置，能直接将氢气的化学能直接转化为电能，无卡诺循环限制。具有高能量密度、高能量转化效率、环保无污染等优点，广泛应用于军工、航空、民用交通等领域。

质子交换膜燃料电池由阳极流场板、膜电极、阴极流场板组成。而膜电极则由阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层组成。氢气在膜电极的阳极催化层侧发生氧化反应，失去电子变成质子，电子经外电路传输到膜电极的阴极催化层侧，质子通过膜电极的质子交换膜转移到阴极催化层中。氧气在膜电极的阴极催化层侧得到经外电路传输过来的电子发生还原反应，与从阳极传递过来的质子结合生成水。膜电极的阴极催化层催化性能是影响燃料电池性能的主要因素。改善阴极催化性能的方法有提高催化剂催化活性、提高阴极催化层孔隙率、提高阴极催化层水热管理性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提高质子交换膜燃料电池膜电极阴极催化层的催化性能，增强阴极催化层抗水淹的能力，提高燃料电池性能，提高电堆能量密度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种提升燃料电池膜电极性能的阴极催化层，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、导电性碳颗粒；

所述的导电性碳颗粒具有比铂碳催化剂更大的尺寸，多壁碳纳米管选用直径为15-30nm，长度为1um-20um的碳纳米管。

所述的导电性碳颗粒在添加到催化剂浆料中前，需要进行酸处理；

所述的导电性碳颗粒按阴极催化层固含量总质量5%-15% 的比例添加到阴极催化剂浆料中；

所述的导电性碳颗粒可以是碳纳米管、碳纳米角、碳纳米纤维、石墨粉等；

所述的导电性碳颗粒先与催化剂混合，然后再加入亲水性粘结剂、疏水性粘结剂，再加入溶剂进行超声分散或球磨得到均匀分散的催化剂浆料；

所述的阴极铂碳催化剂在加入到阴极催化剂浆料中前，需要在惰性气氛中于200^oC以上焙烧0.5小时以上，以除去催化剂碳载体表面的酸性官能团。

一种用于质子交换膜燃料电池膜电极的阴极催化层，其特征在于，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、导电性碳颗粒，所述导电性碳颗粒尺寸大于铂碳催化剂。

作为本发明的一种优选方案，所述阳极催化层中添加一种导电性碳颗粒。

作为本发明的一种优选方案，所述阳极催化层和阴极催化层同时添加一种导电性碳颗粒。

作为本发明的一种优选方案，所述阴极催化层同时添加两种或两种以上导电性碳颗粒。

作为本发明的一种优选方案，所述阴极催化层分为两层，近质子交换膜侧的催化层添加导电性碳颗粒，而近气体扩散层的催化层不添加导电性碳颗粒。