[發明專利]直接甲醇燃料電池陰極雙層催化層及其制備工藝和直接甲醇燃料電池膜電極

在審

• 申請號: 202211265131.3
• 申請日: 2022-10-17
• 公開（公告）號: CN115332550A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 劉靜;徐斌;陳杰;凌昊;賴志勇;何鈺
• 申請（專利權）人: 江蘇源氫新能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92;H01M4/86;H01M4/88;H01M8/1004;H01M8/1011
• 代理公司: 常州格策知識產權代理事務所(普通合伙) 32481
• 代理人: 陳磊

本發明公開了一種直接甲醇燃料電池陰極雙層催化層及其制備工藝和直接甲醇燃料電池膜電極，通過Pt/C催化劑制成Pt/C催化層，通過Pt/CeO₂?C催化劑支撐Pt/CeO₂?C催化層。Pt/CeO₂?C催化層貼近質子交換膜的陰極，Pt/C催化層貼近氣體擴散層，從而形成陰極雙層催化層。由Pt/C催化層、Pt/CeO₂?C催化層、氣體擴散層、質子交換膜、陽極催化層和陽極擴散層制得直接甲醇燃料電池膜電極。通過上述方式，本發明直接甲醇燃料電池陰極雙層催化層及其制備工藝和直接甲醇燃料電池膜電極，能夠通過陰極雙層催化層提高DMFC在工作電壓下的耐久性，提高DMFC輸出性能，制備工藝簡單可靠。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，特別是涉及一種直接甲醇燃料電池陰極雙層催化層及其制備工藝和直接甲醇燃料電池膜電極。

背景技術

燃料電池（Fuel cell, FC）是一種將持續供給的燃料中的化學能連續不斷地轉化為電能的電化學裝置，具有高能量轉化效率，近乎零污染排放等優點。目前，燃料電池作為新能源汽車的主要技術路線之一已經展開布局。作為低溫型燃料電池代表的直接甲醇燃料電池（Direct methanol fuel cell, DMFC），以其結構簡單、原料儲存豐富、操作安全、燃料便于攜帶及充電方便等優點，在便攜式電源、輕型電動車、小型民用電源等領域具有廣闊的應用前景。雖然DMFC技術在近幾十年取得了很多的突破性進展，但是其大規模商業化應用仍然面臨成本高、壽命短的嚴峻挑戰。其主要原因是DMFC使用大量的貴金屬催化劑來提高電池的工作效率和耐久性。目前DMFC所使用的催化劑主要是Pt基催化劑，通過優化制備DMFC膜電極（Membrane electrode assembly, MEA）的工藝技術降低催化劑的載量來降低其成本，但壽命短的問題仍然是制約其商業化的主要瓶頸。

DMFC在實際工作時，電壓會隨著電池運行時間的增加而逐漸衰減。DMFC性能衰減的主要原因是電極表面的氧未完全被還原，電極內部產生活性氧物質，如羥基（HOO?）和（HO?）自由基，這些自由基與質子交換膜（Proton exchange membrane, PEM）的高分子缺陷末端的碳原子發生反應導致碳原子脫落，脫落后相鄰的碳原子繼續受自由基攻擊，從而破壞膜的結構和完整性。PEM的結構和完整性被破壞后，DMFC會發生反極和短路現象，其嚴重影響了DMFC的壽命。因此如何避免PEM受自由基攻擊是長時間應用于DMFC性能的關鍵。

CeO₂被認為是在燃料電池系統中極好的清除自由基的材料，由于CeO₂中存在多種價態，在晶格中形成了氧空位。由Ce3+到Ce4+較為容易的發生氧化還原反應是清除自由基的關鍵，在酸性條件下，Ce3+到Ce4+的轉變更容易發生，使CeO₂反復利用。文獻研究表明，通過向PEM膜中加入CeO₂形成Nafion/CeO₂復合膜,通過燃料電池單電池等測試發現，Nafion/CeO₂復合膜具有良好的耐久性和界面兼容性。雖然CeO₂的加入使PEM膜在耐久性方面已經明顯改善，但這將不可避免地降低了質子交換膜的質子傳導率，導致MEA性能大幅降低。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是提供一種直接甲醇燃料電池陰極雙層催化層及其制備工藝和直接甲醇燃料電池膜電極，能夠通過陰極雙層催化層提高DMFC在工作電壓下的耐久性，CeO₂的加入不影響PEM質子傳導率，能夠有效的去除自由基提高DMFC耐久性能，適量的Pt/CeO₂-C催化劑制備成內催化層對DMFC陽極側滲透過來的甲醇能過快速氧化，提高DMFC輸出性能，制備工藝相比于合成Nafion/CeO₂復合膜的工藝更為簡單可靠。