一种孔隙结构可调的膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A membrane electrode with adjustable pore structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种孔隙结构可调的膜电极及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池
，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。
技术介绍
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，真正能够得到利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的孔隙结构可调的膜电极，其特征在于，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。3.根据权利要求1或2所述的孔隙结构可调的膜电极，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的孔隙结构可调的膜电极，其特征在于，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。5.一种根据权利要求1所述的孔隙结构可调的多孔膜电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(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，搅拌然后球磨分散，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：章俊良，程晓静，闫晓晖，沈水云，夏国锋，殷洁炜，王超，朱凤鹃，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31