[發明專利]一種質子交換膜燃料電池催化層及其制備方法

無效

• 申請號: 200810228228.0
• 申請日: 2008-10-22
• 公開（公告）號: CN101722046A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發明（設計）人: 衣寶廉;俞紅梅;繆智力;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J31/10
• 分類號: B01J31/10;B01J21/06
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池，具體地說是一種質子交換膜燃料電池催化層材料及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)可以直接將化學能轉化為電能而不受卡諾循環的限制，能量轉換效率高，對環境幾近零污染；同時，PEMFC還具有可低溫快速啟動，噪聲小，功率密度高等優點，是作為電動汽車動力源、便攜式小型電源以及水下動力系統電源等最為有潛力的化學電源之一。因而受到世界各國政府和各方面的廣泛關注，技術發展迅速。

PEMFC在運行過程中，必須有一定含量水存在才能保證電池運行所需的質子傳導。因此電池的進氣需要一定程度的增濕，電池內合適的水量對于保持催化層和質子交換膜的高質子傳導率和電池的高性能具有重要意義。通常PEMFC采用復雜的增濕輔助系統來增濕反應氣，增加了電池的重量，復雜性，成本和消耗潛能。因此探索如何簡化或者取消增濕系統，具有重要的研究意義。

目前為解決這一問題，眾多的研究者將目光投向質子交換膜，積極研發自增濕膜。US20080199757提出一種自增濕膜，通過增加聚合物端基的磺酸基團來提高膜的保水能力以及質子電導率。CN02122635.0在全氟磺酸質子交換膜內摻入了Pt擔載型催化劑，制備了復合質子交換膜，增強了膜的保水能力。膜保水能力的增強有利于在高溫或低濕度條件下的應用，但仍然存在的問題是由于增濕器的不穩定增濕，膜的保水能力增加使得膜的變形率增大，從而有礙于質子交換膜的長期穩定使用。

增強催化層的保水能力可以保證質子交換膜保持一定含水量，從而保證電池運行所需膜的質子電導率。Vengatesan等人[Int.J.Hydrog.Energe，33(2008)171-178]將正硅酸乙酯(TEOS)形成的硅溶膠引入催化層，發現催化層內引入適量TEOS可以有效改善在高溫或低濕度進氣時的電池性能。因此硅溶膠的加入，有效的改變了催化層親水性。這種方法的一個缺點是在飽和增濕進氣時，電池性能較正常的催化層組成電池性能稍差。

發明內容

本發明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池催化層及其制備方法，保證催化層具有良好的保水性能和質子電導率，可以在高溫或低濕度情況下有較好電池的性能，同時能夠保證在飽和增濕下的電池性能較好。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種質子交換膜燃料電池催化層，所述催化層由磺化處理過的親水性無機氧化物、電催化劑、全氟磺酸樹脂組成，其中無機氧化物于催化層中所占的重量比例為2-50％，其中電催化劑于催化層中所占的重量比例為10-80％，余量為全氟磺酸樹脂，且它們三者的加和為100％；催化層厚度通?？蔀?～30μm。

所述親水性無機氧化物為SiO₂、TiO₂或ZrO₂；其磺化處理過可按常規方法進行處理的親水性無機氧化物制備方法是[H.Munakata?et?al.Solis?StateIno.176(2005)2446]，將親水性無機氧化物與帶有磺酸、磷酸基團的有機硅烷或無機酸反應10～48h，在親水性無機氧化物表面引入酸性基團，形成磺化處理過的親水性無機氧化物。

上述催化層的制備方法，按所需比例將親水性無機氧化物或磺化處理過的親水性無機氧化物摻雜到由電催化劑、質量濃度5-20％的全氟磺酸樹脂溶液和醇溶劑組成的催化層漿料中，攪拌均勻后，然后通過噴涂、涂布或絲網印刷的方法在擴散層或質子交換膜上制備催化層，從而獲得既具有較好保水性能又具有較高的質子電導率的催化層。

其中：醇溶劑與全氟磺酸樹脂溶液用量的重量比為2-8∶1。

具體步驟如下：

(1)將適量商業化的電催化劑，全氟磺酸樹脂溶液按比例混合，用乙醇、丙醇或異丙醇做溶劑形成催化劑漿料，超聲振蕩混和10～60min。

(2)親水性無機氧化物與帶有磺酸、磷酸基團的有機硅烷或無機酸在40～100℃反應10～48h，然后在80～500℃將液體蒸發，經研磨制成粉末。

(3)將經磺化處理親水性無機的氧化物按2wt.％～50wt.％(相對于整個催化層)加到步驟(1)中的催化劑漿料中。

(4)通過噴涂、涂布或絲網印刷的方法在擴散層或質子交換膜上制備催化層。

所述電催化劑可為常用的Pt/C、Pd/C、PtRu/Cd等；全氟磺酸樹脂為等。

本發明具有如下優點：