一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法技术

本发明专利技术提供了一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法，包括以下步骤：第一步，制备高温燃料电池用膜电极，在催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH2PO4作为催化层中的质子导体；第二步，利用制备成功的高温燃料电池用膜电极制成单电池；第三步，将单电池装入燃料电池性能测试系统中进行测试；本发明专利技术在高温膜燃料电池催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH2PO4来代替H3PO4，增强了催化层的质子传导率，并且改善了在H3PO4作为催化层质子导体的情况下导致的催化剂失活、氧还原反应速率慢等问题，进而提高了燃料电池整体的性能。

A method for enhancing proton conductivity of catalytic layer in high temperature membrane fuel cell

The present invention provides a method to enhance the proton conductivity of the catalytic layer of a high temperature membrane fuel cell, including the following steps: first, preparing a membrane electrode for a high temperature fuel cell and introducing a CsH2PO4 with a high proton conduction ability in the catalytic layer as a proton conductor in the catalytic layer; the second step is to prepare a successful high temperature combustion. A single battery is made with a membrane electrode in the material battery; the third step is to test the single battery into the performance test system of the fuel cell. The invention introduces a CsH2PO4 with high proton conduction ability in the catalytic layer of the high temperature membrane fuel cell to replace the H3PO4, enhances the proton conduction rate of the catalytic layer, and improves the catalytic activity in the H3PO4 as a catalyst. The problem of catalyst deactivation and slow rate of oxygen reduction reaction is caused by the proton conductor, which improves the overall performance of the fuel cell.

【技术实现步骤摘要】
一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法
本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法。
技术介绍
燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，它不受卡诺循环限制，具有较高的转化率，以其能量密度高、低污染等优点成为未来理想的动力能源。其中聚电解质膜燃料电池（PEMFC）具有高效、节能、环保等优点，被认为在航空航天、交通运输、电子产品等领域具有广阔的应用前景。然而实际应用时却面临着燃料需要重整净化、水热管理困难、结构复杂和成本高昂等问题。提高运行温度被认为是解决目前聚电解质膜燃料电池面临主要问题的理想途径。与传统的低温膜燃料电池（LT-PEMFC）相比，高温膜燃料电池（HT-PEMFC）运行温度是120℃-200℃，在这个温度区间，催化剂具有更高的活性和抗CO中毒能力，因此可以直接采用甲醇，乙醇，天然气等燃料重整制取的非纯氢气为燃料。这样不仅可以简化燃料重整反应器的构造和运行，还有可能进行电池堆和燃料重整反应器的系统一体化设计和开发。同时，高温膜燃料电池产生的余热具有较高的回收价值，便于系统整体效率的提高。此外，由于非水的质子传导机理，高温膜燃料电池不需要对反应气体进行任何加湿处理，从而消除了低温质子交换膜燃料电池系统中的复杂的水管理环节，从根本上简化了燃料电池系统的运行和管理。因此，高温膜燃料电池被认为是聚电解质膜燃料电池未来的发展方向。磷酸(H3PO4)掺杂的聚苯并咪唑(PBI)膜是目前研究最广泛且真正应用于HT-PEMFC的一种高温质子交换膜。对基于PBI/H3PO4膜的HT-PEMFC，催化层（CL）中的电解质材料是H3PO4，靠H3PO4在高温下的电离来传导质子。但是，H3PO4具有对催化剂（Pt）活性位的强吸附和毒化能力，且对气态反应物的溶解度小、传输速率慢，抑制了催化剂的催化氧还原活性，是导致HT-PEMFC电流密度较低的关键原因。
技术实现思路
针对所述传统质子导体H3PO4的不足，本专利技术提供了一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法。本专利技术解决上述问题的技术方案为：一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法，包括以下步骤：第一步：制备高温燃料电池用膜电极，在催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH2PO4作为催化层中的质子导体；第二步：利用制备成功的高温燃料电池用膜电极制成单电池；第三步：将单电池装入燃料电池性能测试系统中进行测试；所述高温燃料电池用膜电极，包括依次层叠的阳极气体扩散电极、高温电解质膜、阴极气体扩散电极，高温燃料电池用膜电极的制备方法，包括以下步骤：步骤1：质子导体CsH2PO4的制备CsH2PO4是将Cs2CO3与H3PO4混合，利用甲醇萃取真空干燥得到；步骤2：催化剂浆料的制备催化剂浆料是将催化剂粉末、催化层高分子粘结剂的分散液和相关溶剂一起混合均匀得到；步骤3：催化层的制备将步骤2所制备的催化剂浆料采用喷涂、刮涂或其他方法沉积到气体扩散层上，干燥后即形成催化层和气体扩散电极整体；步骤4：气体扩散电极的后处理将步骤3所制备的气体扩散电极在有惰性气体保护的条件下，放入340℃-430℃的马弗炉中烧结20-60分钟，使气体扩散层中的高分子聚合物进一步在整个电极中形成网络结构，再在催化层中加入质子导体CsH2PO4，得到最终气体扩散电极，其中，催化层中活性成分Pt载量为0.1-3.0mg/cm2，催化层中的催化层粘结剂质量百分含量为5-50wt.%；步骤5：膜电极的组装将制备好的两片相同的气体扩散电极置于高温电解质膜两侧，机械组装制备得到高温燃料电池用膜电极，其中两片气体扩散电极的催化层分别与高温电解质膜的两个面紧密贴接；进一步的，步骤2中所述催化层高分子粘结剂为PTFE或PVDF，所述相关溶剂为异丙醇、乙醇、甘油中的一种；进一步的，步骤5中高温电解质膜为酸掺杂膜，所述酸掺杂膜为聚苯并咪唑及其衍生物、聚苯并咪唑-聚醚醚酮复合膜、磺化聚醚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰亚胺-聚苯并咪唑、磺化聚醚醚酮-聚苯并咪唑复合膜中的任意一种，所述酸掺杂膜中的掺杂酸为磷酸、硫酸、甲磺酸聚乙烯基磷酸、三氟烷基磺酸中的一种或两种以上的混合酸，所述酸掺杂膜中的酸掺杂量为300~450wt.%，以保证电解质膜具有适宜的质子导电率。本专利技术具有有益效果：本专利技术在高温膜燃料电池催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH2PO4来代替H3PO4，增强了催化层的质子传导率，并且改善了在H3PO4作为催化层质子导体的情况下导致的催化剂失活、氧还原反应速率慢等问题，进而提高了燃料电池整体的性能。附图说明图1—本专利技术所述气体扩散电极在扫描电镜（SEM）下的形貌图。图2—实施例1燃料电池放电性能曲线；图3—实施例2燃料电池放电性能曲线；图4—实施例3燃料电池放电性能曲线。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。实施例1：一种消防风机控制模块及其控制方法，包括以下步骤：第一步：制备高温燃料电池用膜电极，在催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH2PO4作为催化层中的质子导体；第二步：利用制备成功的高温燃料电池用膜电极制成单电池；第三步：将单电池装入燃料电池性能测试系统中进行测试；所述高温燃料电池用膜电极，包括依次层叠的阳极气体扩散电极、高温电解质膜、阴极气体扩散电极，高温燃料电池用膜电极的制备方法，包括以下步骤：步骤1：质子导体CsH2PO4的制备CsH2PO4是将Cs2CO3与H3PO4混合，利用甲醇萃取真空干燥得到；步骤2：催化剂浆料的制备催化剂浆料是将催化剂粉末、催化层高分子粘结剂的分散液和相关溶剂一起混合均匀得到；步骤3：催化层的制备将步骤2所制备的催化剂浆料采用喷涂、刮涂或其他方法沉积到气体扩散层上，干燥后即形成催化层和气体扩散电极整体；步骤4：气体扩散电极的后处理将步骤3所制备的气体扩散电极在有惰性气体保护的条件下，放入340℃-430℃的马弗炉中烧结20-60分钟，使气体扩散层中的高分子聚合物进一步在整个电极中形成网络结构，再在催化层中加入质子导体CsH2PO4，得到最终气体扩散电极，其中，催化层中活性成分Pt载量为0.1-3.0mg/cm2，催化层中的催化层粘结剂质量百分含量为5-50wt.%；步骤5：膜电极的组装将制备好的两片相同的气体扩散电极置于高温电解质膜两侧，机械组装制备得到高温燃料电池用膜电极，其中两片气体扩散电极的催化层分别与高温电解质膜的两个面紧密贴接；进一步的，步骤2中所述催化层高分子粘结剂为PTFE或PVDF，所述相关溶剂为异丙醇、乙醇、甘油中的一种；进一步的，步骤5中高温电解质膜为酸掺杂膜，所述酸掺杂膜为聚苯并咪唑及其衍生物、聚苯并咪唑-聚醚醚酮复合膜、磺化聚醚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰亚胺-聚苯并咪唑、磺化聚醚醚酮-聚苯并咪唑复合膜中的任意一种，所述酸掺杂膜中的掺杂酸为磷酸、硫酸、甲磺酸聚乙烯基磷酸、三氟烷基磺酸中的一种或两种以上的混合酸，所述酸掺杂膜中的酸掺杂量为300~450wt.%，以保证电解质膜具有适宜的质子导电率。按上述内容所制备的气体扩散电极，其在扫描电镜下的形貌图如图1所示，所制备气体扩散电极尺寸为2.3cm×2.3cm，气体扩散层为FreudenbergH2315-CX19本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：制备高温燃料电池用膜电极，在催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH2PO4作为催化层中的质子导体；第二步：利用制备成功的高温燃料电池用膜电极制成单电池；第三步：将单电池装入燃料电池性能测试系统中进行测试。

【技术特征摘要】
1.一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：制备高温燃料电池用膜电极，在催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH2PO4作为催化层中的质子导体；第二步：利用制备成功的高温燃料电池用膜电极制成单电池；第三步：将单电池装入燃料电池性能测试系统中进行测试。2.所述高温燃料电池用膜电极的制备方法，包括以下步骤：步骤1：质子导体CsH2PO4的制备CsH2PO4是将Cs2CO3与H3PO4混合，利用甲醇萃取真空干燥得到；步骤2：催化剂浆料的制备催化剂浆料是将催化剂粉末、催化层高分子粘结剂的分散液和相关溶剂一起混合均匀得到；步骤3：催化层的制备将步骤2所制备的催化剂浆料采用喷涂、刮涂或其他方法沉积到气体扩散层上，干燥后即形成催化层和气体扩散电极整体；步骤4：气体扩散电极的后处理将步骤3所制备的气体扩散电极在有惰性气体保护的条件下，放入340℃-430℃的马弗炉中烧结20-60分钟，使气体扩散层中的高分子聚合物进一步在整个电极中形成网络结构，再在催化层中加入质子导体CsH2PO4，得到最终气体扩散电极，其中，催化层中活性成分Pt载量为0.1-3.0mg/cm...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玮琦，马强，苏华能，朱新坚，吴曌慧，马夜明，
申请(专利权)人：江苏乾景新能源产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32