[發(fā)明專利]陰極催化層及其制備方法、膜電極和燃料電池

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011520558.4
• 申請(qǐng)日: 2020-12-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112615018A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪聰敏;陳福平;朱星燁;李曉琳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海電氣集團(tuán)股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/92
• 分類號(hào): H01M4/92;H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 北京同達(dá)信恒知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11291
• 代理人: 劉亞威

本申請(qǐng)涉及燃料電池領(lǐng)域，公開(kāi)一種陰極催化層及其制備方法、膜電極和燃料電池。一種用于燃料電池的陰極催化層，所述催化層中包括疏水性碳納米纖維，所述疏水性碳納米纖維的管徑為100?200nm，所述疏水性碳納米纖維的長(zhǎng)度為5?10μm。利用該陰極催化層以解決大電流放電條件下，燃料電池陰極易被水淹的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及電池領(lǐng)域，特別涉及一種陰極催化層及其制備方法、膜電極和燃料電池。

背景技術(shù)

近年來(lái)，化石燃料短缺以及化石燃料燃燒造成的有害氣體排放等問(wèn)題引起了全球的廣泛關(guān)注。為解決自然資源的短缺以及日益嚴(yán)重的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題，新型能源技術(shù)的發(fā)展逐漸成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池由于能夠避免化石燃料的燃燒，是備受關(guān)注的新一代能量轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。

燃料電池是一種能夠通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。燃料電池中的膜電極是其核心部件，主要由質(zhì)子交換膜、陰陽(yáng)極催化層和氣體擴(kuò)散層組成。通常，催化層的制備是將含Pt催化劑、質(zhì)子傳導(dǎo)離聚物和分散劑的催化劑漿料涂覆到質(zhì)子交換膜兩側(cè)，干燥后形成催化層。因此催化劑漿料的均勻性對(duì)形成的催化層的微結(jié)構(gòu)具有重要影響，直接影響所制備膜電極的孔結(jié)構(gòu)、孔隙率、親憎水性等性能。

在燃料電池工作過(guò)程中，在大電流條件下放電時(shí)，陰極產(chǎn)生的大量水通常會(huì)引起陰極水淹并導(dǎo)致氣體傳輸阻力增加，進(jìn)而降低燃料電池的性能。

發(fā)明內(nèi)容

本申請(qǐng)公開(kāi)了一種陰極催化層及其制備方法、膜電極和燃料電池，以解決大電流放電條件下，燃料電池陰極易被水淹的問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┮韵录夹g(shù)方案：

一種用于燃料電池的陰極催化層，所述催化層中包括疏水性碳納米纖維，所述疏水性碳納米纖維的管徑為100-200nm，所述疏水性碳納米纖維的長(zhǎng)度為5-10μm。

進(jìn)一步地，所述疏水性碳納米纖維占所述陰極催化層質(zhì)量的5-15wt％。

進(jìn)一步地，所述陰極催化層中包括催化劑，所述催化劑為含鉑催化劑，所述陰極催化層中鉑載量為0.35-0.45mg/cm²。

進(jìn)一步地，所述含鉑催化劑中鉑載量為50-65wt％。

進(jìn)一步地，所述陰極催化層中包括質(zhì)子傳導(dǎo)離聚物，所述質(zhì)子傳導(dǎo)離聚物占所述陰極催化層質(zhì)量的25-30wt％。

一種陰極催化層的制備方法，包括以下步驟：

將含有疏水性碳納米纖維的陰極催化層漿料涂覆于質(zhì)子交換膜表面，干燥后在所述質(zhì)子交換膜表面得到所述陰極催化層。

進(jìn)一步地，將所述疏水性碳納米纖維、所述催化劑和質(zhì)子傳導(dǎo)離聚物溶液溶于溶劑中，分散均勻后得到所述陰極催化層漿料。

進(jìn)一步地，所述溶劑包括水和異丙醇，所述水和所述異丙醇的質(zhì)量比為1:0.8-1:3。

一種膜電極包括質(zhì)子交換膜、設(shè)置于所述質(zhì)子交換膜一側(cè)表面的陽(yáng)極催化層和設(shè)置于所述質(zhì)子交換膜另一側(cè)表面的本申請(qǐng)的陰極催化層。

一種燃料電池，包括本申請(qǐng)的膜電極。

采用本申請(qǐng)的技術(shù)方案，產(chǎn)生的有益效果如下：

本申請(qǐng)?zhí)峁┑年帢O催化層，包括疏水性碳納米纖維，且疏水性碳納米纖維的管徑為100-200nm，長(zhǎng)度為5-10μm。通過(guò)添加特定管徑以及特定長(zhǎng)度的疏水性碳納米纖維，以對(duì)陰極催化層的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)利用疏水性碳納米纖維本身的疏水性能以及毛細(xì)效應(yīng)使包含該陰極催化層的膜電極在大電流密度下具有良好的水排出能力，進(jìn)而避免陰極水淹，提高氣體傳輸，從而提高膜電極的性能。

附圖說(shuō)明

圖1為不同實(shí)施例1和對(duì)比例5、對(duì)比例6的極化曲線I-V圖；