一种高温质子交换膜燃料电池阴极及制备方法、膜电极技术

本发明专利技术公开了一种高温质子交换膜燃料电池阴极制备方法，包括制备阴极扩散层；在阴极扩散层表面涂覆阴极外催化层浆料后，加热处理后得到阴极外催化层；在阴极外催化层表面涂覆阴极内催化层浆料，加热处理后得到阴极内催化层。本发明专利技术还公开一种高温质子交换膜燃料电池阴极，其中阴极外催化层的平均孔径60～150nm，孔隙率30％～45％；阴极内催化层的平均孔径30～50nm，孔隙率25％～30％。本发明专利技术还公开一种膜电极，包括依次设置的上述阴极、质子交换膜和阳极。本发明专利技术能够有效提高高温质子交换膜燃料电池中催化剂利用率以及电池的性能、寿命。寿命。寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种高温质子交换膜燃料电池阴极及制备方法、膜电极


[0001]本专利技术属于高温质子交换膜燃料电池
，特别涉及一种高温质子交换膜燃料电池阴极及制备方法、膜电极。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、功率密度高、无污染物排放、设计相对简单等优点，被认为是下一代有希望的电源。根据工作温度的不同，PEMFC分为基于Nafion膜的低温PEMFC(LT
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PEMFC)和基于磷酸(PA)掺杂的聚苯并咪唑(PBI)膜的高温PEMFC(HT
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PEMFC)。如今，工作温度高达200℃的HT
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PEMFC因其对杂质的高耐受性、更快的电极反应动力学、大量可重复使用的热能和简化的水管理而引起了广泛关注。然而，由于氧还原反应(ORR)的动力学缓慢，以及PA吸附导致的催化剂失活，必须在阴极上使用大量铂催化剂，以确保满意的性能。这导致了一个严重的高成本问题，这是HT
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PEMFC商业化的主要障碍。因此，提高铂的利用效率，提高HT
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PEMFC的性能，有望促进其发展。
[0003]传统的应用于高温质子交换膜的阴极单催化层(SCL)，通过涂敷同一种催化剂浆料在GDL上，虽然孔隙结构整体分布较均匀，但也导致靠近PEM的一侧由于酸含量相对较多导致催化剂酸淹，减少了催化剂的活性位点；靠近GDL一侧，由于孔隙较少，导致空气或氧气的扩散难度增加，极大的提高了传质阻力，对高温质子交换膜燃料电池的性能以及寿命造成极大的影响。与其它类型的燃料电池相比，由于在HT
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PEMFC中没有液态水的存在，粘性更大的磷酸充当质子导体，磷酸对催化剂活性位点的覆盖和毒化更加严重，所以急需设计一种新型的HT
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PEMFC催化层结构以适应高温磷酸环境，平衡气体传质通道，提高催化剂的利用率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种高温质子交换膜燃料电池阴极及制备方法、膜电极，解决了传统高温质子交换膜的制备工艺复杂、催化剂利用率低的技术问题，本专利技术能够有效提高催化剂利用率以及电池的性能、寿命。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种高温质子交换膜燃料电池阴极的制备方法，包括：
[0007]制备阴极扩散层；
[0008]在阴极扩散层表面涂覆阴极外催化层浆料后，加热处理后得到阴极外催化层；阴极外催化层浆料包括催化剂、粘结剂和造孔剂；阴极外催化层的平均孔径60～150nm，孔隙率30％～45％；
[0009]在阴极外催化层表面涂覆阴极内催化层浆料，加热处理后得到阴极内催化层；阴极内催化层浆料包括催化剂、粘结剂和造孔剂；阴极内催化层的平均孔径30～50nm，孔隙率25％～30％。
[0010]进一步的，粘结剂为疏水粘结剂，具体包括PTFE、PVDF、FEP、ECTE、ETFE、PFA或PDMS
中的至少一种。
[0011]进一步的，阴极外催化层浆料中的催化剂为Pt/C、PtFe/C或PtCo/C中的一种以上；Pt/C、PtFe/C或PtCo/C中，Pt的质量分数为5％～70％；
[0012]阴极内催化层浆料中的催化剂为Pt黑、PtCo/C或PtNi/C中的一种以上。
[0013]进一步的，造孔剂为EG或PEG中的至少一种；
[0014]阴极外催化层浆料中造孔剂含量与阴极内催化层浆料中造孔剂的质量之比为1.5～1。
[0015]进一步的，以阴极外催化层浆料中的总固体质量为基准，造孔剂的质量百分比为30％～50％，造孔剂分子量为600～1000；以阴极内催化层浆料中的总固体质量为基准，阴极内催化层浆料中造孔剂的质量百分比为0％～30％，造孔剂分子量≤600。浆料的固体即溶质，包含催化剂、粘结剂和造孔剂。
[0016]进一步的，在通有保护气的环境下，对阴极外催化层浆料或阴极内催化层浆料进行加热处理；
[0017]所述保护气包括N2；
[0018]加热处理的温度为50℃～300℃。
[0019]一种高温质子交换膜燃料电池阴极，采用上述制备方法得到，包括阴极扩散层、阴极外催化层和阴极内催化层；
[0020]阴极扩散层包括支撑层和微孔层；
[0021]阴极外催化层的总孔面积60～90m2/g，中值孔径V200～800nm，平均孔径60～150nm，孔隙率30％～45％；中值孔径V为压汞仪测试中术语，具体指同孔径的孔以孔体积的大小进行排布，取中值孔体积对应的孔径的大小，本专利技术中，侧重于构建氧气的传输通道，对孔体积的要求较高，故采用中值孔径V作为特征来评价孔的体积。
[0022]阴极内催化层总孔面积30～50m2/g，中值孔径V100
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150nm，平均孔径30～50nm，孔隙率25％～30％。
[0023]内外催化层的孔径主要依靠PEG的分子量进行调控，当PEG分子量在200
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1000，其中值孔径V在100
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800nm，平均孔径30
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150nm。
[0024]阴极外催化层和阴极内催化层中，贵金属的载量为0.05～2.0mg/cm2，且阴极内催化层中的贵金属载量高于阴极外催化层中的贵金属载量。
[0025]一种高温质子交换膜燃料电池膜电极，包括依次设置的阴极、质子交换膜和阳极；所述阴极为上述的高温质子交换膜燃料电池阴极；
[0026]阳极包括阳极扩散层和阳极催化层，阳极扩散层包括支撑层和微孔层；
[0027]阴极扩散层、阴极外催化层、阴极内催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极扩散层依次设置；
[0028]阴极扩散层中的支撑层和阳极扩散层中的支撑层均位于远离质子交换膜的一侧。
[0029]进一步的，上述高温质子交换膜燃料电池膜电极，由阴极、质子交换膜和阳极依次贴合后，经热压法复合后制得；
[0030]质子交换膜为磷酸掺杂PBI膜。
[0031]进一步的，上述高温质子交换膜燃料电池膜电极，包含高温质子交换膜燃料电池膜电极的高温质子交换膜燃料电池工作温度为140℃～220℃；
[0032]所述高温质子交换膜燃料电池工作时，阳极侧通入氢气，阳极发生HER反应，阴极侧通入空气或者氧气，阴极发生ORR反应。
[0033]本专利技术与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
[0034](1)本专利技术创造性的制备了孔隙率梯度化的阴极结构，减少了阴极反应气体在催化层中的扩散阻力，增大了催化层的储酸能力，从而调节催化层中磷酸的分布，避免催化层发生酸淹，大幅增加电极内的三相界面，提高催化剂利用率以及电池的性能、寿命；
[0035](2)本专利技术限定了内催化层和外催化层的具体孔隙率、孔径等参数，能够达到最佳的催化剂利用率；
[0036](3)本专利技术制备方法简单，有利于实现大规模应用。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温质子交换膜燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，包括：制备阴极扩散层；在阴极扩散层表面涂覆阴极外催化层浆料后，加热处理后得到阴极外催化层；阴极外催化层浆料包括催化剂、粘结剂和造孔剂；阴极外催化层的平均孔径60～150nm，孔隙率30％～45％；在阴极外催化层表面涂覆阴极内催化层浆料，加热处理后得到阴极内催化层；阴极内催化层浆料包括催化剂、粘结剂和造孔剂；阴极内催化层的平均孔径30～50nm，孔隙率25％～30％。2.根据权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，粘结剂为疏水粘结剂，具体包括PTFE、PVDF、FEP、ECTE、ETFE、PFA或PDMS中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，阴极外催化层浆料中的催化剂为Pt/C、PtFe/C或PtCo/C中的一种以上；Pt/C、PtFe/C或PtCo/C中，Pt的质量分数为5％～70％；阴极内催化层浆料中的催化剂为Pt黑、PtCo/C或PtNi/C中的一种以上。4.根据权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，造孔剂为EG或PEG中的至少一种；阴极外催化层浆料中造孔剂含量与阴极内催化层浆料中造孔剂的质量之比为1.5～1。5.根据权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，以阴极外催化层浆料中的总固体质量为基准，造孔剂的质量百分比为30％～50％，造孔剂分子量为600～1000；以阴极内催化层浆料中的总固体质量为基准，阴极内催化层浆料中造孔剂的质量百分比为0％～30％，造孔剂分子量≤600。6.根据权利要求5所述的一种高温质子交换膜燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，在通有保护气的环境下，对阴...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬峰，邓呈维，李耕航，罗若尹，郑博文，王星显，解晶莹，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：