[发明专利]一种燃料电池催化层及其制备方法

说明书

一种燃料电池催化层，于电解质膜或气体扩散层表面附着有催化层，所述催化层由粘结剂复合催化剂制备而成；所述复合催化剂包括金属活性组分和粘结剂，所述粘结剂于复合催化剂中的质量含量不低于5％，且不高于40％；所述粘结剂的平均粒径为50‑100nm。所述催化层的平均孔径为100‑700nm；厚度为20‑100um。所述催化层中复合催化剂的载量0.5‑5.0mg/cm²；所述催化层中同时存在亲液孔和憎液孔。基于复合催化剂制备的催化层，可实现催化剂颗粒与粘结剂分子微纳尺度上的均匀分布避免了因催化层内电极组分团聚引起的“液淹”，强化空气传质，从而提高高温质子膜燃料电池的放电性能及运行稳定性。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种高温磷酸质子膜燃料电池的膜电极的结构及制备方法。

背景技术

由于具有能量转换效率高、比功率和比能量密度高、环境友好等优点，燃料电池车用动力电源已成为众多汽车企业和研究机构的主要研究课题和方向之一。其中以全氟磺酸型质子交换膜(如Nafion膜)氢氧燃料电池的研究最为广泛，如通用公司开发的第一辆“氢动1号”燃料电池轿车，以及丰田公司2016年推出的Miriam氢氧燃料电池车等。受限于Nafion膜实际工作时需以液态水为质子传导介质，基于Nafion膜的氢氧燃料电池的实际工作温度一般需低于100℃，否则膜内水分流失会造成质子传导能力的急剧下降，电池性能急剧衰降；低温操作的氢氧燃料电池的电催化剂易发生毒化，且电池系统水热管理复杂，严重影响电池放电性能和运行稳定性，限制了其应用。有鉴于Nafion膜基氢氧燃料电池和磷酸高温燃料电池技术的优缺点，通过采用一种可在高温下传导质子的离子交换膜，如磷酸-聚苯并咪唑(H₃PO₄/PBI膜)，不但可将燃料电池的工作温度至160-200℃，加快质子交换膜燃料电池的电极反应速度，提高催化剂的耐CO中毒性，而且阳极可直接采用甲醇或乙醇重整气替代纯氢气进料，提高电池比能量密度；其次，高温运行时生成的水主要以蒸气形态排出，可避免电极的水淹现象，简化水热管理系统，提高电池性能和可靠性；第三，由于电池温度与环境的温差大，可大幅提高燃料电池的余热利用效率。综上，高温质子交换膜燃料电池的特有优势使得其在分散式电站及热电联用设备及车用动力电源具有广阔的应用前景，许多国家及地区已相继开展该类燃料电池的研究。

同其它质子交换膜燃料电池一样，膜电极(MEA)是高温质子膜燃料电池的“心脏”部位，其组成及结构对燃料电池的放电性能、运行寿命及系统可靠性有着重要的影响。高温质子膜燃料电池膜电极一般由阳极气体扩散电极、质子交换膜、阴极气体扩散电极组成。其中扩散层主要由碳粉与粘结剂组成，催化层则由电催化剂与粘结剂组成。现有高温质子膜燃料电池膜电极催化层制备工艺多为将固体催化剂粉末与粘结剂溶液分散在水或醇溶液中、室温机械搅拌混合。如哈尔滨工业大学的刘晓为等公开了一种高温质子膜燃料电池膜电极的制备方法，就是通过将催化剂粉末、适量石墨烯气溶胶及PTFE溶液在水和异丙醇溶液中超声振荡、磁力搅拌形成催化剂浆料，然后涂布到扩散层上(刘晓为等，高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，CN105024084A)。大连化学物理研究所的景粉宁等人尝试通过控制浆液的粘度和固含量来调控催化剂浆液的性质和催化层的结构(景粉宁等，一种燃料电池催化剂浆液及其应用，CN104716342A)。然而由于电催化剂粉末与粘结剂自身性质及两者在溶剂中的分散状态的差异，仅靠机械搅拌或超声很难实现催化剂与粘结剂在微纳尺度上均匀混合，催化剂或粘结剂的局部团聚会导致电极催化层中亲、憎液的孔结构分布不合理，三相反应界面区域受限，导致催化剂利用率低，反应气传递阻力大，高电流密度区浓差极化损失大，电池输出性能差。

为克服上述问题，本发明通过催化剂制备过程中引入粘结剂形成电催化剂- 粘结剂复合物的方法，实现催化剂与粘结剂在微、纳尺度上均匀混合。通过改善催化剂与粘结剂在催化层的均匀状态，可调节催化层内亲、憎液孔的结构分布，改善气体传输及磷酸分布状态，扩大三相反应界面区域，提高电池输出性能及运行稳定性。

发明内容