[发明专利]一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，该阴极双催化层包括Pt/C催化层和Fe‑N/S/C催化层，Pt/C催化层靠近质子交换膜一侧，Fe‑N/S/C催化层靠近阴极扩散层一侧。本发明解决了燃料电池的质量、体积和成本增加的问题，Fe‑N/S/C催化层由于其较高的比表面积和发达的孔隙网络，能够保存燃料电池阴极反应生成的水，实现在低湿工况下对膜电极的保湿作用；同时，Pt/C催化层可以分解过氧化氢，抑制Fe‑N/S/C催化剂的分解与衰减，提高膜电极的稳定性。这样，不仅减少了铂的用量，而且能够实现自增湿，解决了由增加外加湿器造成的燃料电池系统的质量、体积和成本增加的问题。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体来说，是涉及一种非贵金属催化剂自增湿膜阴极双催化层。

技术背景

质子交换膜燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置，目前制约其大规模商业化应用的主要因素是成本和性能问题。成本方面，为了加快质子交换膜燃料电池内部电化学反应的速率，尤其是阴极的氧还原反应速率，一般需要使用铂作为催化剂，而铂的使用大大增加了燃料电池的成本。性能方面，燃料电池性能受到水管理的制约。对于质子交换膜来说，需要保持足够的水含量才能有较高的质子传导率，而质子交换膜燃料电池本身反应所产生的水往往聚集在阴极并且很容易被高速流动的气体吹走，因此一般情况下需要对阴阳极进气进行加湿，反应气体进入电极的同时也会将水蒸气带入，以此实现对质子交换膜的润湿。在实际应用中，外部加湿一般靠加湿器来实现，根据不同的工作原理，外部加湿器可以分为鼓泡加湿器、液态水喷淋加湿器、焓轮加湿器以及膜加湿器等。然而，无论使用哪一种加湿器，一方面都会增加整个系统的成本，另一方面也会增加系统的重量和体积。

对于燃料电池乘用车来说，如果能够减少铂的用量，并实现燃料电池电堆的自增湿，不仅能够降低成本，还有助于实现轻量化，进而延长续航里程，因此具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的是提高燃料电池自增湿性能，保证燃料电池可以在反应气体低湿条件下稳定工作的技术问题，提供一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，设计了燃料电池阴极双催化层的结构，利用具有高比表面积的非贵金属催化剂来实现保水，减少铂催化剂的用量，即降低了成本又实现了自增湿功能。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，该阴极双催化层包括由Pt/C催化剂形成的Pt/C催化层和由Fe-N/S/C催化剂形成的Fe-N/S/C催化层，所述Pt/C催化层靠近质子交换膜一侧，所述Fe-N/S/C催化层靠近阴极扩散层一侧。

进一步地，所述阴极双催化层中Pt的载量为0.1-0.2mg cm^-2。

进一步地，所述阴极双催化层中Fe-N/S/C催化剂的载量为2.0-3.0mg cm^-2。

进一步地，所述Fe-N/S/C催化剂具有1800～2400m²g^-1的比表面积，其内部的孔隙结构由孔径为1～2nm的微孔和2～7nm的介孔构成。

进一步地，所述Pt/C催化剂中Pt的质量分数为20％-60％。

进一步地，所述Fe-N/S/C催化剂按照如下步骤制备：

(1)在惰性气体保护下，将有机配体试剂A，FeCl₃和硫磺按照3:10:30的摩尔比混合，然后在真空环境中加热到300～600℃，恒温30～50小时，随后冷却至室温；

(2)将步骤(1)所得产物研磨成细粉，在惰性气体保护下加热到800～1000℃，恒温1～3小时；

(3)将步骤(2)所得产物浸没在浓度为0.1～0.2mol/L的盐酸中，在50～70℃下保持6～10小时，随后用去离子水洗干净样品并干燥；