[發明專利]表征燃料電池用Pt/C催化劑表面聚合物電解質覆蓋度的方法

有效

• 申請號: 201910913015.X
• 申請日: 2019-09-25
• 公開（公告）號: CN110649294B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 李光偉;臧振明;韓志佳;許亭;張揚;姜煒;邢丹敏
• 申請（專利權）人: 新源動力股份有限公司
• 主分類號: H01M8/0444
• 分類號: H01M8/0444;G01N27/48
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 王思宇;李洪福

本發明提供了一種表征燃料電池用Pt/C催化劑表面聚合物電解質覆蓋度的方法，具體包括以下步驟：(1)采用氮氣吸脫附法測試粉體狀態下催化劑的比表面積S₁；(2)采用Pt/C催化劑和溶液配制成漿料制備催化層，并制成燃料電池膜電極組件；(3)采用步驟(2)制得的燃料電池膜電極組件組裝單電池并進行循環伏安曲線測試；(4)先通過氫吸附區域積分面積求得Pt/C催化劑中Pt的比表面積S_Pt，然后根據循環伏安曲線求得催化層中的雙電層電容，根據比值得出催化層中碳載體的比表面積S_C；(5)催化劑表面聚合物電解質覆蓋度θ_ion＝(S_Pt+S_C)/S₁。本發明解決了采用X射線熒光光譜分析和掃描電子顯微鏡無法表征催化層中聚合物電解質對催化劑的包覆程度的問題。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體而言，尤其涉及一種表征燃料電池用Pt/C催化劑表面聚合物電解質覆蓋度的方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)因具有功率密度高、可室溫啟動以及環境友好等優點，而被認為可廣泛應用于車載動力系統及固定電站等領域。若要實現PEMFC的商業化推廣應用，不僅要滿足性能方面的要求，還必須具備良好的穩定性。作為發生能量轉換過程的主要場所，燃料電池膜電極組件(MEA)中的催化層直接影響著整個燃料電池的性能和穩定性。在PEMFC中，催化層由催化劑和聚合物電解質兩部分組成，其中催化劑提供反應活性位點催化反應進行，聚合物電解質提供反應所需質子，兩者之間形成的孔道提供氣體和水的傳質路徑。目前常用的催化劑一般為碳載鉑(Pt/C)催化劑，而聚合物電解質一般為全氟磺酸(如)系列聚合物。鑒于燃料電池中的電化學反應需要氣體、質子和催化劑三者共同參與，因此需要在催化層中引入適量的聚合物電解質以保證氣體、質子和水的傳輸。若催化劑表面聚合物電解質過少，則供應質子的能力偏弱；若催化劑表面聚合物電解質過多，則催化層中孔道過少會嚴重阻礙氣體和水的傳輸過程。

作為催化層的重要組成部分，聚合物電解質會直接影響燃料電池的性能和穩定性。為提高燃料電池的性能和穩定性，需要在確定聚合物電解質在催化層中的存在狀態的基礎上對催化層組成與結構進行優化。在現有表征手段中，一般采用X射線熒光光譜對催化層中聚合物電解質的元素組成進行分析，采用掃描電子顯微鏡對聚合物電解質與催化劑形成的催化層形貌進行分析。

雖然采用X射線熒光光譜分析和掃描電子顯微鏡可以對催化層的元素組成和形貌進行分析，但如果無法表征催化層中聚合物電解質對催化劑的包覆程度，便很難理解燃料電池催化層中電化學反應過程并依此進行催化層優化。因此，我們迫切需要一種可以表征燃料電池催化劑表面聚合物電解質覆蓋度的方法。

發明內容

根據上述提出采用X射線熒光光譜分析和掃描電子顯微鏡無法表征催化層中聚合物電解質對催化劑的包覆程度，很難理解燃料電池催化層中電化學反應過程并依此進行催化層優化的技術問題，而提供一種表征燃料電池用Pt/C催化劑表面聚合物電解質覆蓋度的方法。本發明主要采用循環伏安曲線法對催化劑表面聚合物電解質覆蓋度進行在線表征，有助于進一步優化催化層結構。

本發明采用的技術手段如下：

表征燃料電池用Pt/C催化劑表面聚合物電解質覆蓋度的方法，具體包括以下步驟：

(1)采用氮氣吸脫附法測試粉體狀態下催化劑的比表面積S₁；

(2)采用Pt/C催化劑和溶液配制成漿料在質子交換膜表面制備催化層，并與氣體擴散層熱壓制成燃料電池膜電極組件；

或者，采用Pt/C催化劑和溶液配制成漿料在氣體擴散層表面制備催化層，并與質子交換膜熱壓制成燃料電池膜電極組件；

(3)采用步驟(2)制得的燃料電池膜電極組件組裝單電池，對單電池進行循環伏安曲線測試；