[發明專利]一種用于燃料電池的自增濕膜陰極雙催化層

有效

• 申請號: 201811350943.1
• 申請日: 2018-11-14
• 公開（公告）號: CN109638302B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 尹燕;劉婧;張俊鋒;常亞飛
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92;H01M8/1004;H01M8/04119
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 琪琛

本發明屬于燃料電池技術領域，公開了一種用于燃料電池的自增濕膜陰極雙催化層，該陰極雙催化層包括Pt/C催化層和Fe?N/S/C催化層，Pt/C催化層靠近質子交換膜一側，Fe?N/S/C催化層靠近陰極擴散層一側。本發明解決了燃料電池的質量、體積和成本增加的問題，Fe?N/S/C催化層由于其較高的比表面積和發達的孔隙網絡，能夠保存燃料電池陰極反應生成的水，實現在低濕工況下對膜電極的保濕作用；同時，Pt/C催化層可以分解過氧化氫，抑制Fe?N/S/C催化劑的分解與衰減，提高膜電極的穩定性。這樣，不僅減少了鉑的用量，而且能夠實現自增濕，解決了由增加外加濕器造成的燃料電池系統的質量、體積和成本增加的問題。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體來說，是涉及一種非貴金屬催化劑自增濕膜陰極雙催化層。

技術背景

質子交換膜燃料電池是一種清潔高效的能量轉換裝置，目前制約其大規模商業化應用的主要因素是成本和性能問題。成本方面，為了加快質子交換膜燃料電池內部電化學反應的速率，尤其是陰極的氧還原反應速率，一般需要使用鉑作為催化劑，而鉑的使用大大增加了燃料電池的成本。性能方面，燃料電池性能受到水管理的制約。對于質子交換膜來說，需要保持足夠的水含量才能有較高的質子傳導率，而質子交換膜燃料電池本身反應所產生的水往往聚集在陰極并且很容易被高速流動的氣體吹走，因此一般情況下需要對陰陽極進氣進行加濕，反應氣體進入電極的同時也會將水蒸氣帶入，以此實現對質子交換膜的潤濕。在實際應用中，外部加濕一般靠加濕器來實現，根據不同的工作原理，外部加濕器可以分為鼓泡加濕器、液態水噴淋加濕器、焓輪加濕器以及膜加濕器等。然而，無論使用哪一種加濕器，一方面都會增加整個系統的成本，另一方面也會增加系統的重量和體積。

對于燃料電池乘用車來說，如果能夠減少鉑的用量，并實現燃料電池電堆的自增濕，不僅能夠降低成本，還有助于實現輕量化，進而延長續航里程，因此具有十分重要的意義。

發明內容

本發明要解決的是提高燃料電池自增濕性能，保證燃料電池可以在反應氣體低濕條件下穩定工作的技術問題，提供一種用于燃料電池的自增濕膜陰極雙催化層，設計了燃料電池陰極雙催化層的結構，利用具有高比表面積的非貴金屬催化劑來實現保水，減少鉑催化劑的用量，即降低了成本又實現了自增濕功能。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下的技術方案予以實現：

一種用于燃料電池的自增濕膜陰極雙催化層，該陰極雙催化層包括由Pt/C催化劑形成的Pt/C催化層和由Fe-N/S/C催化劑形成的Fe-N/S/C催化層，所述Pt/C催化層靠近質子交換膜一側，所述Fe-N/S/C催化層靠近陰極擴散層一側。

進一步地，所述陰極雙催化層中Pt的載量為0.1-0.2mg cm^-2。

進一步地，所述陰極雙催化層中Fe-N/S/C催化劑的載量為2.0-3.0mg cm^-2。

進一步地，所述Fe-N/S/C催化劑具有1800～2400m²g^-1的比表面積，其內部的孔隙結構由孔徑為1～2nm的微孔和2～7nm的介孔構成。

進一步地，所述Pt/C催化劑中Pt的質量分數為20％-60％。

進一步地，所述Fe-N/S/C催化劑按照如下步驟制備：

(1)在惰性氣體保護下，將有機配體試劑A，FeCl₃和硫磺按照3:10:30的摩爾比混合，然后在真空環境中加熱到300～600℃，恒溫30～50小時，隨后冷卻至室溫；

(2)將步驟(1)所得產物研磨成細粉，在惰性氣體保護下加熱到800～1000℃，恒溫1～3小時；

(3)將步驟(2)所得產物浸沒在濃度為0.1～0.2mol/L的鹽酸中，在50～70℃下保持6～10小時，隨后用去離子水洗干凈樣品并干燥；