[發明專利]一種基于雙層有序結構微孔層的燃料電池電極原位制備方法

有效

• 申請號: 202011156731.7
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112382767B
• 公開（公告）日: 2021-10-12
• 發明（設計）人: 蘇華能;李金龍;張瑋琦;馬強;徐謙
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于雙層有序結構微孔層的燃料電池電極原位制備方法，涉及燃料電池領域，該方法包括電極基底層的處理、制備疏水層、制備有序親水層和在親水層上原位生長鉑基催化劑。本發明制備的燃料電池電極中，直接在有序微孔層上原位生長Pt基催化劑，使Pt基催化劑表現出納米線、納米枝晶等不同的形態，增加了電化學活性表面積和催化劑穩定性，降低了微孔層與催化層間的傳輸阻力，能夠有效提升電池的性能。在低溫燃料電池運行條件下，該電極比傳統電極表現出更優良的電池性能。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，特別是涉及到一種催化劑原位生長于有序結構微孔層上的電極及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種高效的氫能轉換裝置，能夠將儲存在氫燃料和氧化劑中的化學能通過電化學反應的方式直接轉換為電能，具有綠色環保、高比能量、低溫快速啟動和高平穩運行的特點，可應用于新能源汽車、野外移動供電以及靜默動力供電等諸多領域，被認為是替代內燃機的理想動力來源，近年來受到了廣泛的關注及研究。

然而，目前PEMFC的研發仍然面臨著成本高和壽命短等問題。提高性能、降低成本主要有兩種途徑：一是從催化劑本征活性角度出發，通過改變載體、制備合金催化劑等方式降低貴金屬催化劑使用量，提高催化劑活性和穩定性。然而，因為電化學反應過程還受到三相界面以及電子、質子、氣體和水的傳質通道等諸多因素影響，因此這種方法很難全面改善電池性能；二是從膜電極和催化層結構的角度出發，通過研發新的膜電極制備工藝和方法來改善電池性能，這種方式涉及因素廣，能從整體上協調反應進程，提高電池性能。

膜電極(MEA)是PEMFC的核心部件，為PEMFC提供了多相物質傳遞的通道和電化學反應場所，其性能的優劣直接決定了PEMFC性能的好壞。美國能源部(DOE)提出2020年車用MEA技術指標是：成本小于$14kW-1；耐久性要求達到5000h；額定功率下功率密度達到1Wcm-2。按此要求，貴金屬Pt的總用量應小于0.125mgcm-2，0.9V時電流密度應達到0.44Acm-2。

MEA主要有氣體擴散層(GDL)、催化層(CL)和質子交換膜(PEM)組成。在電化學反應過程中，MEA各功能層需要共同參與、相互配合，功能層的傳質、催化、傳導等能力制約著PEMFC的性能，通過優化各功能層的結構將對提升PEMFC的性能具有舉足輕重的作用。

氣體擴散層(GDL)是PEMFC膜組件的重要組成部分。通常情況下,GDL為雙層結構,由基底和微孔層組成。GDL作為傳輸通道將反應物從流道傳遞到催化層,并將產物排出。此外,GDL還是電子的傳輸通道。理想的GDL應該有較小的傳質阻力,良好的排水性能和較低的電阻。但是，傳統GDL一般是在碳紙(或者碳布)表面涂覆一層導電碳粉與疏水物質的混合漿料，這種無序的微孔層結構嚴重的阻抗傳質效率，容易發生水淹，影響電池性能。近年來，大量研究人員針對無序的微孔層進行了大量的結構優化。林瑞等人(中國專利申請號201910972513.1)發明了一種含排水通道的燃料電池微孔層的制備方法，該方法與傳統微孔層制備不同之處在于，在微孔層漿料中加入了造孔劑，使所得微孔層具有一定尺寸的排水通道，可實現快速排水、不影響疏水孔周圍材料物性且成本低廉。該微孔層包括：多個排水通道，孔徑為1～50μm，所述排水通道的孔壁表面分布疏水材料；多個非排水通道，孔徑為0.05～0.5μm。結果表明，當造孔劑添加量為微孔層漿料的25％時，所得排水通道孔徑為25μm左右，功率密度可達到0.93W cm-2。中國專利申請號201911263629.4提出了一種雙層微孔層式氣體擴散層制備方法，該方法制備了兩種微孔層漿料，其一號漿料由碳粉、無水乙醇、疏水劑和造孔劑組成，二號漿料由碳粉、無水乙醇和疏水劑組成。將一號漿料均勻噴涂于GDL表面形成微孔層一，將二號漿料均勻噴涂于微孔層一上形成微孔層二，然后經過酸處理，烘干，燒結后形成雙層微孔層式氣體擴散層。本發明制備的雙層微孔層式氣體擴散層的微孔層一中添加有造孔劑，微孔層二中未添加造孔劑，有利于孔徑梯度化，進而提高氣體擴散層的毛細壓力，并提高燃料電池的水管理能力，進而提高燃料電池的性能。