一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层
本专利技术属于燃料电池
，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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0.1-0.2mgcm-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2.0-3.0mgcm-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；(4)将步骤(3)所得干燥样品在惰性气体保护下加热到800～1000℃，恒温1～3小时，获得所述Fe-N/S/C催化剂。更进一步地，步骤(1)中的有机配体试剂A为1,2,4,5-四氰基苯、1,4对苯二腈、1,3,5-苯三腈、1,4-联苯二腈中的一种。更进一步地，步骤(1)中的加热温度为400℃，恒温时间为40小时；步骤(2)中的加热温度为900℃，恒温时间为2小时；步骤(3)中的温度为60℃，恒温时间为8小时；步骤(4)中的加热温度为900℃，恒温时间为2小时。更进一步地，步骤(1)、(2)、(4)中的所述惰性气体为Ar气。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用阴极双催化层结构设计，阴极催化层中靠近膜的一侧使用铂催化剂，靠近气体扩散层的一侧使用Fe-N/S/C催化剂。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(相对湿度20％-60％)下对膜电极的保湿作用；由于Fe-N/S/C催化层易受燃料电池内部产生的过氧化氢攻击，在Fe-N/S/C催化层内侧加入一层Pt/C催化层可以分解过氧化氢，提高膜电极稳定性。这样，本专利技术一方面减少了铂催化剂的用量，另一方面由于Fe-N/S/C催化层具有多孔结构，能够有效保水，从而实现自增湿，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。附图说明图1为本专利技术实施例1中Fe-N/S/C催化剂的孔径分布图；图2为本专利技术实施例1中Fe-N/S/C催化剂和Pt/C催化剂的水蒸气等温吸附曲线图；图3为本专利技术实施例1中阴极双催化层和质子交换膜的横截面扫描电镜图；图4为本专利技术实施例1中阴极双催化层与传统单阴极催化层的极化曲线和功率密度曲线对比图；图5为专利技术实施例1中双阴极催化层与传统单阴极催化层的稳定性测试图；图6为本专利技术实施例2中阴极双催化层与传统单阴极催化层的极化曲线和功率密度曲线对比图；图7为本专利技术实施例3中阴极双催化层与传统单阴极催化层的极化曲线和功率密度曲线对比图；图8为本专利技术实施例6中Fe-N/S/C催化剂的孔径分布图。具体实施方式下面通过具体的实施例对本专利技术作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。本专利技术的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。其中，Pt/C催化层由Pt/C催化剂按照本领域常规技术手段形成，如喷涂等，Pt/C催化剂中Pt在阴极双催化层中的载量为0.1-0.2mgcm-2，Pt/C催化剂中Pt的质量分数可以为20％-60％。其中，Fe-N/S/C催化层由Fe-N/S/C催化剂按照本领域常规技术手段形成，Fe-N/S/C催化剂在阴极双催化层中的载量为2.0-3.0mgcm-2。Fe-N/S/C催化剂具有1800～2300m2g-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。实施例1：在手套箱中，使用Ar气氛保护，将1,2,4,5-四氰基苯(TETCB)，FeCl3和硫磺(摩尔比例＝3:10:30)放到一个玻璃安瓿瓶中。然后，将安瓿瓶抽真空并封口，加热到400℃，恒温40小时，随后冷却至室温。将所得产物研磨成细粉，在Ar气氛下加热到900℃，恒温2小时。随后，将产物浸没在0.1mol/LHCl中，在60℃下保持8小时，随后，用去离子水洗干净样品，并干燥。最后，在Ar保护下再次将干燥的样品加热到900℃，恒温2小时，获得最终的Fe-N/S/C催化剂。使用全自动比表面分析仪测量所得Fe-N/S/C催化剂的氮气等温吸附曲线，经过拟合得到Fe-N/S/C催化剂的孔径分布，如图1所示，可以看到Fe-N/S/C催化剂内部的孔隙由1-2nm的微孔，2-3nm的介孔以及5-6nm的介孔组成。经过计算，其BET比表面积为2380m2g-1。使用蒸汽吸附仪分别测量Fe-N/S/C催化剂和Pt/C催化剂的蒸汽吸附能力，其蒸汽吸附曲线如图2所示。经过计算，Fe-N/S/C催化剂的蒸汽吸附值为0.77gH2O/gFe-N/S/C，是Pt/C催化剂的蒸汽吸附值(/gFe-N/S/C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，其特征在于，所述阴极双催化层中Pt的载量为0.1-0.2mgcm-2。3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，其特征在于，所述阴极双催化层中Fe-N/S/C催化剂的载量为2.0-3.0mgcm-2。4.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，其特征在于，所述Pt/C催化剂中Pt的质量分数为20％-60％。6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的自增湿膜阴极双催化层，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹燕，刘婧，张俊锋，常亚飞，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12