[發明專利]一種高溫燃料電池用陰極催化層及其制備和膜電極

有效

• 申請號: 201210563370.7
• 申請日: 2012-12-21
• 公開（公告）號: CN103887525A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 孫公權;景粉寧;楊林林;王素力
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M8/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種高溫燃料電池用陰極催化層，具體的說涉及一種用于提高高溫燃料電池陰極氧傳質的陰極催化層；

本發明還涉及上述陰極催化層的制備方法；

本發明還涉及由上述陰極催化層制備的膜電極。

背景技術

傳統的聚合物電解質膜型燃料電池膜電極中使用的電解質為全氟磺酸類化合物，如商品化的Nafion膜。這類電解質價格昂貴，而且為使該電解質具有高質子電導，電解質膜必須充分水合。該電解質在高溫或加濕不充分的條件下易發生失水并降解，使得燃料電池性能顯著下降，因而組建的相應燃料電池常壓最高工作溫度為100℃。而且電解質所需的水通過反應氣加濕供給，加濕器增加了燃料電池系統的體積，降低了整體效率。全芳結構的聚苯并咪唑是一類高性能材料，具有極高的耐熱性能、優異的力學性能、極好的化學穩定性、良好的介電性質和紡絲性能，在宇航、微電子等領域里得到了廣泛的應用。近年來，研究人員發現磷酸摻雜的聚苯并咪唑膜是一種具有優良抗氧化性和熱穩定性的聚合物電解質膜，至250℃高溫仍可保持較高質子傳導率和一定的力學強度。這類材料在新型低成本高溫聚合物電解質膜型燃料電池領域具有潛在的應用前景，因此受到廣泛關注。

在上述磷酸摻雜的聚苯并咪唑膜作為電解質膜的燃料電池中，磷酸通常會滲透到膜電極的催化層中造成氣體擴散電極中的部分孔堵塞，而磷酸又是一種溶氧性較差，同時氧氣在磷酸中傳輸速率也很小的液體，因此其在氣體擴散電極中的存在必將導致氧氣在陰極氣體擴散電極中的傳輸阻力增大進而導致電池性能下降。

中國專利200810069270.2披露了一種有序化抗溺水氣體多孔電極的制備方法，該方法將硅油滲入到傳統Pt/C氣體多孔電極的催化層和擴散層空隙中，干燥后制得有序化抗溺水氣體多孔電極。上述電極雖然能部分解決傳統質子交換膜燃料電池水淹的問題，但對于高溫燃料電池并不試用。不僅如此，由于該專利采用真空抽濾的方法制得，該制備方法一方面容易導致電極破損，另一方面也因滲透不均導致電池性能提高不明顯。

中國專利201010567204.5披露了用于質子交換膜燃料電池的陰極擴散層及其制備和應用。該擴散層中添加氧化鈰等儲氧材料提高氧氣在陰極的傳質能力，但由于氧化鈰不溶于磷酸，因此上述方法也解決不了高溫燃料電池存在的氧傳質能力差的問題。

發明內容

本專利針對上述問題，在陰極催化層制備中，引入可以提高氧傳質速率同時溶氧性能好的硅油，以期降低電池陰極傳質極化，提高電池性能。

為實現上述目的，本發明采用以下具體方案來實現：

一種高溫燃料電池用陰極催化層，陰極催化層中含有氧還原催化劑、粘結劑、疏水劑、硅油和磷酸；

所述硅油的分子式為：

該分子式中，R為C1-C50烷基、苯基或取代苯基；R'為C1-C50烷基、苯基、取代苯基、氫、或分子量小于1000的聚醚鏈；X為C1-C50烷基、苯基、取代苯基、C2-C50鏈烯基、氫、羥基、烷氧基、乙酰氧基、三氯甲基、或分子量小于1000的聚醚鏈；n，m=0-5000的整數，苯基取代基為C1-C4的烷基、氯、C2-C4鏈烯基。

所述硅油為甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氫硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羥基硅油、乙基含氫硅油、羥基含氫硅油、含氰硅油中一種或兩種以上的混合物。

所述陰極氧還原催化劑為Pt/C、Pt黑、PtRu黑、PtRu/C、PtSn/C、PtMo/C、PtFe、PtCo、PtNi、PtPd、PtAu、Pt@Pd/C、Pt@PdIr/C、PdCo@Pd/C、PtFe/C、PtCo/C、PtNi/C、PtPd/C、FeTMPP、WC、Fe/N-C、Co/N-C、Ni/N-C、MnOx/M、PdFe、PdCo、PdNi、PdMo、PdW、PdRe、PdAu、PdCu、NiZr、N-C中的一種或二種以上；

所述陰極催化層中催化劑載量為0.2-6mg·cm^-2。

所述氧還原催化劑與粘結劑的質量比為100：1-5：1；所述氧還原催化劑與疏水劑的質量比為100：1-10：1；所述硅油與氧還原催化劑的質量比為1：10-1：1；所述硅油與磷酸的質量比為1：5-1：850。

所述粘結劑為PBI、PTFE、PFA、ETFE、Nafion、PVDF、PVF中的一種或兩種以上；所述疏水劑為PTFE或PVDF。

所述高溫燃料電池用陰極催化層的制備方法，其特征在于：陰極催化層的制備包括以下步驟，