[發明專利]一種陰極催化層及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210082313.0
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114420948A
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 王晶晶;唐柳;張中天;朱雅男;劉曉雪;高夢陽;馬亮;苗梓航
• 申請（專利權）人: 一汽解放汽車有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 北京遠智匯知識產權代理有限公司 11659
• 代理人: 韓承志

本發明提供了一種陰極催化層及其制備方法和應用，所述陰極催化層包括第一催化層和第二催化層，所述第一催化層包括第一離聚物，所述第二催化層包括第二離聚物，所述第一離聚物的離子交換當量＜第二離聚物的離子交換當量，所述第一離聚物的側鏈長度＜第二離聚物的側鏈長度。本發明通過采用不同類型的離聚物，實現陰極催化層孔隙由質子膜側向氣體擴散層側的增大，從而提高氣體傳輸，達到提高燃料電池性能目的。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，涉及一種陰極催化層及其制備方法和應用。

背景技術

化石能源的使用造成全球能源消耗和環境污染問題日益加劇。氫能被確定為脫碳、可持續能源系統的關鍵，提供安全、經濟和無污染的能源。氫作為一種可行的替代燃料，在未來的低碳領域發揮重要作用。氫燃料電池的熱度正在卷土重燃，世界各國都致力于推進燃料電池汽車的大規模生產。質子交換膜燃料電池因其高能量轉換效率、高功率密度、低工作溫度和環保的特點而被視為汽車發動機和電動汽車最有前途的動力來源。然而，為了實現成功的商業化，必須開發降低成本、提高功率密度和提高耐用性的技術，這是目前質子交換膜燃料電池廣泛應用的主要障礙。

膜電極是質子交換膜燃料電池中重要組成部分，成本占據60％左右，是電池的發電中心，在這里氫氣和氧氣反應生成水。質子交換膜燃料電池在電化學反應的過程中，產生的水和熱隨反應氣體的流動向陰極氣體擴散層一側聚集，從而發生水淹等現象，可能對燃料電池壽命產生負面影響，因此優化陰極催化層的結構對提升燃料電池性能至關重要。

CN110661005A公開了一種質子交換膜燃料電池催化層及其制備方法，第一層催化層采用為聚偏氟乙烯六氟丙烯共聚物粘結劑，第二層催化層為Pt/CNTs催化劑與Nafion粘結劑混合層，第三層催化層為Pt/C催化劑與PBI離聚物粘結劑混合層。通過三層催化層結構有效提升質子交換膜燃料電池的反應催化性能，獲得更高的功率密度。其雖然在催化層中使用了不同類型的離聚物作為粘結劑，但這種粘結劑的前驅體會殘留在電池體系中，會影響膜電極性能和耐久。

CN109524674A公開了一種提升質子交換膜燃料電池陰極催化性能的制備方法，所述陰極催化層包括：鉑碳催化劑、親水性粘結劑、疏水性粘結劑、導電性碳顆粒。通過在陰極催化層中添加一定比例的疏水性粘結劑，可以有效提高陰極催化層的水管理性能，促進陰極催化層內部水的排出。

上述方案所述陰極催化層存在有制成膜電極性能差或耐久性差的問題，因此，開發一種性能好且耐久性好的陰極催化層是十分必要的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種陰極催化層及其制備方法和應用，本發明通過采用不同類型的離聚物，實現陰極催化層孔隙由質子膜側向氣體擴散層側的增大，從而提高氣體傳輸，達到提高燃料電池性能目的。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種陰極催化層，所述陰極催化層包括第一催化層和第二催化層，所述第一催化層包括第一離聚物，所述第二催化層包括第二離聚物，所述第一離聚物的離子交換當量＜第二離聚物的離子交換當量，所述第一離聚物的側鏈長度＜第二離聚物的側鏈長度。

本發明采用離子交換當量低、短側鏈的離聚物制備靠近質子膜側催化層為第一催化層，采用離子交換當量高、長側鏈的離聚物制備靠近氣體擴散層側催化層為第二催化層。靠近質子膜側采用離子交換當量低、短側鏈離聚物，提高質子傳導效率。本發明通過采用不同類型的離聚物，實現陰極催化層孔隙由質子膜側向氣體擴散層側的增大，從而提高氣體傳輸，達到提高燃料電池性能目的。

優選地，所述第一離聚物包括Aquivion離聚物和/或3M離聚物。

優選地，所述第二離聚物包括Nafion離聚物。

優選地，所述第一離聚物包括Aquivion EW830、Aquivion EW833、Aquivion EW700或3M PFSA EW725中的任意一種或至少兩種的組合。