[發明專利]一種陰極催化層油墨、陰極催化層、膜電極及燃料電池

有效

• 申請號: 202310605620.7
• 申請日: 2023-05-26
• 公開（公告）號: CN116333526B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 王順忠;曹雅麗;崔麗瑞;陳威;王力南;王志昌;張愛京;周明正;趙維
• 申請（專利權）人: 國家電投集團氫能科技發展有限公司;寧波綠動燃料電池有限公司
• 主分類號: C09D11/03
• 分類號: C09D11/03;H01M4/92;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: 尉立

本發明實施例提供了一種陰極催化層油墨、陰極催化層、膜電極及燃料電池。所述陰極催化層油墨包括鉑類催化劑、短側鏈全氟磺酸離聚物溶液、苯磺酸類化合物、水和分散溶劑，所述短側鏈全氟磺酸離聚物溶液中的短側鏈全氟磺酸離聚物和所述苯磺酸類化合物的質量之比為不低于1.5：1。所述陰極催化層油墨中，短側鏈全氟磺酸離聚物水合能力較強，可以使陰極催化層在低相對濕度、低電流密度運行時內部保持潤濕，具有較好的質子傳輸能力，苯磺酸類化合物與短側鏈全氟磺酸離聚物相互配合，使得形成的離聚物包覆層因為空位效應不能再嚴密包覆鉑，從而使陰極催化層在低相對濕度、高電流密度運行時具有優異的氣體傳質能力，因此能大大提高電池性能。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種陰極催化層油墨、陰極催化層、膜電極及燃料電池。

背景技術

質子交換膜燃料電池是通過電化學反應將氫氣中的化學能直接轉變為電能的發電裝置，具有能量轉換效率高、零排放、無噪聲等優點。膜電極是燃料電池的核心組成部分，由里及外分別由質子交換膜、催化層和擴散層三部分組成。目前采用的質子交換膜以全氟磺酸質子交換膜為主。而催化層是燃料電池電化學反應的場所，主要是由Pt催化劑與全氟磺酸離聚物和/或共價有機框架材料通過一定方法混合后轉移到質子交換膜或者擴散層上制備而成。其中，Pt納米顆粒的表面起到催化H₂、O₂的作用和傳遞電子的作用，而全氟磺酸離聚物和/或共價有機框架材料則起到傳遞質子的作用。

例如專利申請文件CN?111129529?A公開了共價有機框架材料用于燃料電池自增濕膜電極及其制備方法。該自增濕膜電極至少包括擴散層、催化層和全氟磺酸質子交換膜，在質子交換膜一側設有摻雜負載磷酸的共價有機框架材料的催化層，另一側設有含Pt催化劑的催化層，擴散層貼附于催化層表面，熱壓固化而成，催化層粘結劑為全氟磺酸-聚四氟乙烯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一種。

這種自增濕膜電極通過在催化層中額外摻雜親水性的共價有機框架材料，在低相對濕度條件下保證催化層的濕潤性，但存在以下問題：向催化層中額外引入共價有機框架材料，不但會影響碳載鉑催化劑與粘結劑樹脂的包覆狀態，導致催化反應三相界面減少，降低鉑的利用率；而且更嚴重的是，由于共價有機框架材料的存在，當催化層在高電流密度工作時產生大量的水無法排出催化層，催化層處于過度潤濕狀態，造成催化層內部“水淹”，嚴重阻礙反應的進行。

所以目前的燃料電池的催化層一般采用全氟磺酸離聚物來傳遞質子。但是，當燃料電池在低電流密度工作時，膜電極失水，全氟磺酸離聚物的質子傳導率明顯降低，導致歐姆極化嚴重；而當燃料電池在高電流密度工作時，膜電極內水含量過高，反應氣體傳質阻力增大，導致濃差極化嚴重，這都會影響電池性能。因此，需要開發出一種陰極催化層油墨、陰極催化層、膜電極及燃料電池，能使陰極催化層在低電流密度下可以自增濕保證內部質子傳輸，同時在高電流密度下仍具有良好的氣體傳質能力，進而提高電池性能。

發明內容

本發明是基于發明人對以下事實和問題的發現和認識做出的：全氟磺酸離聚物由疏水性碳氟主鏈和親水性側鏈磺酸端基構成，具有較強的水合作用，尤其是短側鏈全氟磺酸離聚物具有更好的保水潤濕能力，能更好地傳導質子。但是全氟磺酸離聚物中的磺酸基團與鉑類催化劑中鉑之間的吸附力較強，大量的磺酸基團覆蓋在鉑表面，會形成致密的離聚物包覆層，阻礙反應氣體與鉑接觸，尤其是在高電流密度下，產物水已經足夠多，致密的離聚物包覆層的存在會導致反應氣體在催化活性界面的傳輸阻力加大，進而導致電池濃差極化嚴重，電池性能大大降低。因此，有必要設計出一種陰極催化層油墨、陰極催化層、膜電極及燃料電池，能使陰極催化層在低電流密度下可以自增濕保證內部質子傳輸，同時在高電流密度下仍具有良好的氣體傳質能力，進而提高電池性能。

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的實施例提出了一種陰極催化層油墨、陰極催化層、膜電極及燃料電池。