[發(fā)明專利]一種高穩(wěn)定性低鉑電極的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711129113.1
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN109802145A
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 侯明;高燕燕;姜永燚;艾軍;鄭利民;邵志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，公開了一種高穩(wěn)定性低鉑膜電極的制備方法。本發(fā)明基于靜電紡絲技術(shù)，采用聚乙酸(PAA)作粘合劑、CeO2為自由基淬滅劑，通過優(yōu)化催化劑漿料的配比，制備出較低擔(dān)量的紡絲電極(或催化層)。采用靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑出高穩(wěn)定的催化層結(jié)構(gòu)，水溶性且具有COOH側(cè)鏈的PAA可以保證電極內(nèi)催化劑表面較好的親水性及較高的質(zhì)子濃度，CeO2能夠降低電池運(yùn)行過程中產(chǎn)生的自由基導(dǎo)致的高聚物衰減，提高電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。電池測試證實(shí)了該紡絲電極具有高穩(wěn)定性的特性，具備工程化放大的潛力，有助于推進(jìn)燃料電池的商業(yè)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體地說一種高穩(wěn)定性低鉑電極的制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因具有功率密度高、轉(zhuǎn)換效率高、零排放等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是解決環(huán)境污染和能源緊缺問題的理想方案。但是，當(dāng)前PEMFC技術(shù)仍面臨著成本、壽命、和性能等三大挑戰(zhàn)。其中，在開發(fā)高穩(wěn)定性的電極(或催化層)結(jié)構(gòu)的方面，研究者一直沒有取得較出色的進(jìn)展，在電池運(yùn)行過程中，由于自由基對催化層Nafion的化學(xué)破壞所造成的電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的降低問題依然存在，耐久性及穩(wěn)定性仍是制約PEMFC商業(yè)化的瓶頸。通過靜電紡絲技術(shù)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)是降低Pt擔(dān)量的有效手段之一，在本單位(中國專利“一種質(zhì)子交換膜燃料電池用低鉑催化層的制備方法”，專利申請?zhí)枺?01410624103.5)中公開了一種通過靜電紡絲技術(shù)制備低鉑催化層的制備方法，在該專利中指出，采用Pt/C-Nafion催化層，粘結(jié)劑可以選為PAA、PVA等聚合物高分子，其厚度為1-4μm。靜電紡絲制備的催化層陰極Pt擔(dān)量為0.2mg cm^-2的單池最大功率密度為680mw cm^-2(H2-Air)優(yōu)于商業(yè)化陰極擔(dān)量為0.54mg cm^-2的氣體擴(kuò)散電極。

本發(fā)明在該專利基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了催化層電極結(jié)構(gòu)和催化劑漿料組成，制備了具有更高質(zhì)子傳導(dǎo)穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性的新型電極。其中，根據(jù)催化層中質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理針對性采用具有醋酸根側(cè)鏈的聚丙烯酸(PAA)為高聚物，通過靜電紡絲技術(shù)將催化劑漿料均勻的包覆在PAA納米纖維表面；為了進(jìn)一步提高該電極的化學(xué)穩(wěn)定性，在催化劑漿料中添加合適配比的自由基淬滅劑CeO₂，使得紡絲電極仍具有可紡性以及原有的質(zhì)子傳導(dǎo)穩(wěn)定性。

本發(fā)明在優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)、提高低Pt電極穩(wěn)定性以及耐久性方面具有較重要的意義，電池測試證實(shí)了該紡絲電極具有高穩(wěn)定性的特性，具備工程化放大的潛力，有助于推進(jìn)燃料電池技術(shù)的商業(yè)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有高質(zhì)子傳導(dǎo)穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性低鉑電極的制備方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

a)配制催化劑漿料。其中漿料含Pt/C催化劑、Nafion溶液、聚乙酸(PAA)、和CeO₂納米顆粒，按一定比例超聲使催化劑混合均勻，并攪拌一定時(shí)間，配成催化劑漿料。

b)利用靜電紡絲技術(shù)制備紡絲催化層；

c)將紡絲催化層轉(zhuǎn)印到211膜上制備單側(cè)CCM。

本發(fā)明所述的步驟a)中配制催化劑漿料中所用的PAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％～20％(干重)，CeO₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％～60％(干重)；漿料中Nafion與碳載體質(zhì)量之比(I/C)為0.5-0.8(干重)，并且，Nafion含量占整體催化劑漿料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17％-24％(干重)，去離子水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％～20％，異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％～25％。

干重是指催化劑漿料中水和有機(jī)溶劑完全揮發(fā)后的重量。

本發(fā)明所述的步驟a)配制催化劑漿料時(shí)，所用的超聲處理時(shí)間為2～8h，攪拌時(shí)間為12～48h。