[發明專利]一種質子交換膜燃料電池多孔電極及其制備方法

有效

• 申請號: 202110303264.4
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113066999B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 陳光穎;任歡;唐嘉儀;劉佳;石偉玉;侯中軍
• 申請（專利權）人: 上海捷氫科技有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M8/1004
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 韓海花

本發明提供了一種質子交換膜燃料電池多孔電極及其制備方法，方法包括以下步驟：將催化劑、全氟磺酸樹脂溶液、溶劑和銨鹽類造孔劑混合，得到催化劑漿料；將所述催化劑漿料噴涂或涂布至質子交換膜、氣體擴散層或轉印膜表面，加熱成型，去除溶劑和銨鹽類造孔劑，得到質子交換膜燃料電池多孔電極。本發明提供的方法采用銨鹽類造孔劑制備的陰極催化層孔道結構更為豐富，在納米級范圍內的孔道分布更廣、尺寸更大，同時出現了大量SEM觀測到的微米級孔道，降低了膜電極在高電密條件下的氣體傳輸和液體排出阻力，從而提高膜電極的工作性能。

技術領域

本發明屬于多孔電極技術領域，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池多孔電極及其制備方法。

背景技術

膜電極作為質子交換膜燃料電池的核心部件，為氫氣與氧氣發生電化學反應產生電能、熱能與水的場所。膜電極由陽極氣體擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層、陰極氣體擴散層組成。其中陰極發生氧氣的還原反應，得到通過外電路傳遞來的陽極氫氣分解為質子所釋放的電子，并與通過質子交換膜從陽極到達陰極的質子發生反應生成水。在高電密條件下，一方面陰極催化層內需要更多的氧氣到達發生電化學反應的位點，另一方面大量的生成物水會導致孔道阻塞引起水淹，所以豐富且合理的電極催化層孔道結構是高電密優異性能的保障。

傳統的膜電極制備方法難以提供豐富的孔道結構，且多形成孔徑較小的“低效孔”與非通孔的“無效孔”。現有技術中公開了一些通過添加造孔劑進行孔道調節的方法，但均需要對漿料或催化層進行復雜的處理，例如：電極成型后通過高溫燒結或酸處理去除造孔劑；漿料制備中加入堿液，制成CCM后再酸處理等，操作復雜，制備流程長。

中國專利CN1964111公開了“一種質子交換膜燃料電池的電極、膜電極及制法和應用”，其主要特征是在催化劑漿料中加入造孔劑，并通過調節分散劑醇與水的比例來達到調節電極孔徑與孔隙率的目的。但在電極制備過程中需要通過高溫且長時間的熱處理與酸處理來去除造孔劑，操作復雜、流程長；而在漿料中添加氫氧化鈉或氫氧化鉀，則存在金屬離子污染質子交換膜與催化層的風險。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池多孔電極及其制備方法，該方法簡單，且制備的多孔電極能改善電極內氣體的傳輸和液態水的排出，從而提高膜電極在高電密條件下的性能。

本發明提供了一種質子交換膜燃料電池多孔電極的制備方法，包括以下步驟：

將催化劑、全氟磺酸樹脂溶液、溶劑和銨鹽類造孔劑混合，得到催化劑漿料；

將催化劑漿料噴涂或涂布至質子交換膜、氣體擴散層或轉印膜表面，加熱成型，去除溶劑和銨鹽類造孔劑，得到質子交換膜燃料電池多孔電極。

優選地，銨鹽類造孔劑選自草酸銨、碳酸銨、碳酸氫銨和亞硫酸銨中的一種或多種。

優選地，銨鹽類造孔劑中NH₄⁺與全氟磺酸樹脂溶液中H⁺的摩爾比為3～20:1；

催化劑、溶劑和全氟磺酸樹脂溶液的質量比為1:8～100:1～15。

優選地，加熱成型的溫度不低于60℃。

優選地，催化劑、全氟磺酸樹脂溶液、溶劑和銨鹽類造孔劑混合的方式選自超聲、高速剪切、高壓均質或球磨。

優選地，全氟磺酸樹脂溶液的當量大于700且小于1100。

優選地，催化劑選自Pt/C催化劑、鉑合金/C催化劑、Pt黑和三元催化劑中的一種或多種。

優選地，溶劑為水和有機溶劑的混合物；

有機溶劑選自甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇和正丁醇中的一種或多種；

水和有機溶劑的質量比為(1:9)～(9:1)。