[發明專利]自增濕燃料電池復合催化劑及其制備方法與應用

無效

• 申請號: 201110204835.5
• 申請日: 2011-07-21
• 公開（公告）號: CN102306810A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 廖世軍;曾巧;曾建皇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B01J23/46;B01J23/44
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及燃料電池的電催化劑，特別是涉及自增濕燃料電池復合催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

質子交換膜燃料電池（PEMFC）的水管理問題已成為燃料電池研究的熱點課題之一。PEMFC運行時，為了使膜電極（MEA）保持較高的質子傳導率，通常需要對反應氣體進行額外的加濕，而由此帶來的增濕設備增加了燃料電池系統的成本和復雜性，并帶來了額外的能量消耗。實際上，PEMFC在運行中陰極會產生大量的水，因此，一些研究者希望將這些水利用起來從而實現自增濕或免增濕的膜電極及相應的燃料電池系統。

目前，自增濕燃料電池的研究主要集中在以下幾個方面：1）自增濕復合膜，通過改變傳統固體電解質的微觀結構，使滲透到膜中的反應氣體發生反應，生成水來濕潤自身，或通過添加親水性氧化物顆粒，來增強膜自身的保水能力；2）自增濕催化層，主要通過在陽極催化層中摻入親水性物質，或在催化層與膜或擴散層之間構筑一個保濕層來達到自增濕的效果；3）其他自增濕設計，如依靠對流場或擴散層的特殊設計來保持和利用陰極側電化學反應生成的水，加強水向陽極側的反擴散作用和MEA的保水能力，達到自增濕的目的。遺憾的是，到目前為止，這些方法在實際應用中均不能達到理想的自增濕或免增濕的效果。

中國專利ZL02122635.0公開了“一種燃料電池用自增濕復合質子交換膜的制備方法”，該專利申請在低沸點有機醇和水的溶劑中加熱溶解全氟磺酸膜，制成全氟磺酸樹脂溶液，然后向全氟磺酸樹脂溶液中加入含Pt的擔載型催化劑和高沸點有機溶劑，將溶液滴加在有多孔膜的表面，加熱并真空保存即制得自增濕復合膜。該方法在膜中加入催化劑，容易造成短路，而且非質子傳導體載體的添加，會增大膜的內阻，降低電池性能，因此并不適合于實際應用。

中國專利ZL200610134014.8公開了“一種自增濕燃料電池用復合質子交換膜及其合成方法”，該專利將擔載型催化劑分散到高分子固體電解質的有機溶液中形成鑄膜液，然后采用澆注、噴涂或流延方法填充到多孔增強膜中制備成自增濕復合質子交換膜，但采用該方法制備的自增濕復合質子交換膜電導率較低。

Zhang等人（Zhang?W.J.,Yue?P.L.,?Gao?P.?Langmuir,?2008,?24(6):2663-2670.）通過一種新型的化學氣相沉積法，將具有高結晶度的Pt納米粒子沉積到一種親水性片層剝離型納米蒙脫土的表面，再通過重鑄法，制得一種新型的Pt-clay/Nafion納米復合膜。在H₂和O₂完全不加濕條件下，電池性能測試表明這種新型Pt-clay/Nafion自增濕復合膜在0.5?V時的功率密度達到723?mW·cm^-2。這種方法存在制備麻煩、Pt的引入容易引起短路電流的產生、免增濕效果不能達到長期穩定的缺點。

中國專利ZL200510037575.1公開了“一種自增濕膜電極及其制備方法”，該方法是將質子交換膜預處理，碳載鉑催化劑、全氟磺酸聚合物、親水性物質和低沸點溶劑混合，涂在質子交換膜的一側，烘干制得親水性氫電極；再將碳載鉑催化劑、全氟磺酸聚合物、疏水性物質和低沸點溶劑混合，涂在質子交換膜的另一側，烘干制得憎水性氧電極；將兩片碳紙與質子交換膜貼合成自增濕膜電極。與自增濕復合膜相似，穩定性也是自增濕催化層需要關注的問題。由于親水性顆粒只是簡單的摻入，而不是固定在催化層中，因此在膜電極工作時容易流失或團聚，這就降低了燃料電池的長期運行性能。另外，簡單摻入這些不導質子又不導電子的氧化物顆粒，也會降低整個電極的導電性和縮減催化層與膜之間的界面接觸，且該專利所使用的親水性以及憎水性物質會增大催化層的電荷轉移電阻。

中國專利ZL200910041374.7公開了“用于燃料電池膜電極的電催化劑以及其制備方法及燃料電池膜電極”，該專利申請是以保水性物質沉積的碳載體為復合載體，再在復合載體上擔載貴金屬制備成電催化劑，并用以催化劑為陽極制備成燃料電池膜電極。該方法由于保水性物質在碳載體上的沉積，使得催化層的導電率降低。

中國專利ZL200910188222.X公開了“具有自增濕功能的燃料電池催化劑涂層膜電極及制備方法”，該專利中，質子交換膜兩側的催化劑涂層具有內外雙層結構，與質子交換膜貼近的催化劑涂層為內催化劑層，該催化層中的自增濕劑和質子交換樹脂的含量高；與氣體擴散層貼近的催化劑涂層為外催化劑層，外催化劑層中自增濕劑和質子交換樹脂的含量低，內外催化劑層的Pt擔載量相同。該方法制備繁雜，兩層催化層會增大催化層的電荷轉移電阻。