[發明專利]基于多孔基體的燃料電池催化劑層、膜電極及制備方法

無效

• 申請號: 200810046956.X
• 申請日: 2008-02-28
• 公開（公告）號: CN101237060A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發明（設計）人: 木士春;程年才;潘牧
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/02;H01M4/86;C08J5/22;H01M4/90;H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 張安國

技術領域

本發明涉及一種以多孔質子交換膜為基體的新型燃料電池催化劑層，通過將這種催化劑層與擴散電極和質子交換膜復合組裝成燃料電池膜電極(membrane?electrode?assembly，MEA)，可獲得高性能的燃料電池。

背景技術

當前，燃料電池催化劑層的最基本成份主要是催化劑、質子導體及粘結劑等，催化劑通常為Pt/C催化劑，質子導體為全氟磺酸樹脂(如Nafion等)，粘結劑可為全氟磺酸樹脂，也可以是聚四氟乙烯(PTFE)疏水劑等。燃料電池催化劑層是燃料電池發生電化學催化與反應的重要場所，因此其催化效率的高低很大程度上決定了燃料電池的性能。提高催化劑層催化效率的關鍵是要增加納米貴金屬催化劑顆粒表面由反應氣體、質子與電子的三相反應界面或催化劑層的三相反應通道。具體對陽極而言，氫氣等反應氣體通過氣體通道到達貴金屬催化劑微粒表面，經催化反應，產生質子與電子。產生的質子需要通過催化劑中的質子導體網絡構建的質子通道向質子交換膜方向傳遞，而且電子則由催化劑的載體(如導電碳黑)構建的導電網絡導向氣體擴散層。如果有任何一個通道不通暢，則燃料電池的性能就會受到影響。而如果缺失任何一個通道，則燃料電池電化學反應就會受阻。

研究表明，上述的氣體通道主要是由催化劑載體碳顆堆積產生的微孔構成。傳統的膜電極MEA(membrane?electrode?assembly)，催化劑層涂敷于多孔電極表面，其缺點是催化劑利用率低。這是因為在催化料漿的涂敷過程中，會很大一部催化劑嵌入到多孔電極表層，而這部分催化劑是不能被利用的。因此，需要提高催化劑的用量加以補償，這就是為什么MEA催化劑層的厚度通常較厚的原因(一般大于10μm，通常15-20μm)。但增加催化劑層的厚度無疑將會增大反應氣體擴散的行程，同時再加上反應水及加濕水的阻擋，對氣體的擴散極為不利。在高電流密度下，隨著濃差擴散的增大，就會造成水淹電極。為此，通常需要在催化劑層中添加PTFE等疏水劑，以提高催化劑層中疏水孔的比例，增加或擴展反應氣體通道。但添加疏水劑也帶來不少問題，如阻隔質子與電子的通道，同時增大催化劑顆粒的團聚度，造成催化劑的非均勻性分布，這些都會降低催化劑的利用率。而且催化劑顆粒的非均勻性分布決定催化劑層內氣體通道分布也是非均勻的，這無疑會引起膜電極局部的熱點問題，影響電池的壽命。

發明內容

本發明提供一種基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層及其制備方法。與背景技術不同，本發明的催化劑層，催化劑位于多孔質子交換膜的微孔內。此外，本發明還提供基于所述催化劑層的燃料電池膜電極及制備方法。

本發明的一種基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層，它包括多孔質子交換膜，催化劑或者還有質子交換樹脂；催化劑和質子交換樹脂均位于多孔質子交換膜的微孔內，所述的多孔質子交換膜由含磺酸基團的質子交換樹脂單體構成，質子交換樹脂為全氟磺酸樹脂或是具有質子交換功能的磺化熱穩定性聚合物，選自磺化聚醚砜樹脂、磺化聚苯硫醚樹脂、磺化聚苯并咪唑樹脂、磺化聚磷腈樹脂、磺化聚酰亞胺樹脂、磺化聚苯乙烯樹脂、磺化間規聚苯乙烯樹脂、磺化三氟苯乙烯樹脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷樹脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物樹脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯樹脂、脂磺化聚氧亞苯樹脂或磺化聚醚醚酮樹脂；多孔質子交換膜的厚度不大于10μm，一般為5±1μm，孔隙率不小于60％，一般大于80％，平均孔徑不大于2μm，一般為0.5-1μm。

本發明所述催化劑為具有高催化活性的負載型貴金屬單質或貴金屬合金催化劑，或者為預先進行氧化處理過的負載型貴金屬單質或貴金屬合金催化劑，貴金屬合金為MxNy或MxNyOz，其中M、N、O分別為Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、Fe、Cr、Ni、Co、Mn、Cu、Ti、Sn、V、Ga及Mo中的任一金屬元素，且M、N、O互不相同，x、y、z為催化劑中各金屬質量比，其數值分別為0～100中的自然數，且x+y＝100或x+y+z＝100；貴金屬單質為Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os中的任意一種；催化劑的載體是納米導電碳黑(如XC-72)、介孔碳、導電陶瓷、石墨、碳納米管和納米碳纖維中的任一種。