[发明专利]一种孔隙结构可调的膜电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种孔隙结构可调的膜电极及其制备方法，所述膜电极包括：阳极催化层和多孔的阴极催化层置于质子交换膜上；所述阳极催化层由阳极催化剂浆料制成，阴极催化层由阴极催化剂浆料制成。所述阴极催化层和阳极催化层均包括催化剂和离子树脂组成的固相成分，和形状不规则的孔隙结构；所述孔隙结构包括：固相成分团聚堆积形成的原生孔隙和造孔剂去除后留下的次生孔隙。本发明针对质子交换膜燃料电池阴极氧气传质困难的问题，使用纳米氧化物在阴极催化层中造孔，大幅增加了阴极催化层的孔隙率，同时改变了催化层内部的孔径分布，明显降低了阴极催化层内的气体扩散阻力，大大提高了电池在大电流密度下的性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，尤其涉及一种孔隙结构可调的膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种通过电化学氧化还原反应，将燃料和氧气中的化学能转化为电能的能量转换装置，具有响应快，运行温度低，绿色无污染等优点，成为新一代能源装置的技术研发热点。推动燃料电池的商业化，需要不断降低膜电极中的催化剂使用量，从而降低电堆的整体制造成本。然而，在低铂或超低铂膜电极中，传质问题变得愈加严重，成为影响电池功率密度的重要因素。

膜电极的阴极催化层一般由碳附载铂的催化剂和离子树脂构成，离子树脂传导质子氧气，碳载体传导电子，在三相界面发生反应。催化剂和离子树脂相互堆叠缠绕，使得催化层内部的孔隙结构十分复杂，既有催化剂本身的原生孔隙，又有颗粒相互堆叠形成的次生孔隙。复杂的孔隙结构使得催化层内的气体扩散变得极为困难，造成巨大的传质阻力，严重限制了大电流下的电池性能。

传统方法制备的催化层孔隙结构中存在大量气路不通的“死孔”和通路十分狭窄的“通道”，这就使得催化层内部形成较多的无效孔隙和低效孔隙，真正能够得到利用的高效孔隙较少。调整浆料中的成分配比、改进膜电极成型工艺等方法可以一定程度上改善催化层中的传质问题，但受限于材料本身的性质，效果并不明显。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种孔隙结构可调的膜电极及其制备方法，通过改善催化层孔隙结构，降低传质阻力，提高电池性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种孔隙结构可调的膜电极，所述膜电极包括：阳极催化层和多孔的阴极催化层置于质子交换膜上；所述阳极催化层由阳极催化剂浆料制成，阴极催化层由阴极催化剂浆料制成，所述阳极催化剂浆料包括以下组分：催化剂、粘结剂、分散溶剂，其质量比为1:1～10:10～1000；所述阴极催化剂浆料包括以下组分：催化剂、粘结剂、分散溶剂和造孔剂，其质量比为1:1～10:10～1000:0.01～1。

优选地，所述多孔的阴极催化层的孔隙结构调节通过在催化剂浆料中添加造孔剂，待膜电极成型后再去除造孔剂来实现。

优选地，所述造孔剂选自氧化镁、氧化钴、氧化铜、氧化铁、氧化锌和氧化铝中的至少一种。

优选地，所述催化剂选自Pt催化剂或Pt合金催化剂或Pt单层催化剂中的一种；

所述粘结剂选自全氟磺酸离子树脂溶液和聚四氟乙烯溶液中的至少一种；所述全氟磺酸离子树脂溶液如Nafion溶液，且Nafion与碳的质量比均为0.8。

所述分散溶剂选自去离子水、醇类和烷烃类有机溶剂中的至少一种。更优选分散溶剂为去离子水和异丙醇的混合溶液，其效果优于单独使用去离子水或异丙醇的效果。

本发明还提供了一种孔隙结构可调的多孔膜电极的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)催化剂浆料的配制：将催化剂、粘结剂和分散溶剂按比例混合，搅拌然后分散，获得阳极催化剂浆料；将催化剂、粘结剂、分散溶剂和造孔剂按比例混合，搅拌然后分散，获得阴极催化剂浆料；