一種高溫燃料電池用陰極催化層及其制備和膜電極的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種高溫燃料電池用膜電極，陰極催化層中除含有氧還原催化劑、粘結(jié)劑和疏水劑外，還含有磷酸和硅油。磷酸作為液體電解質(zhì)在高溫條件下有助于質(zhì)子的傳導(dǎo)，但因其溶氧性不好，將其添加到陰極催化層中不利于氧氣的傳輸；硅油是一種由聚硅氧烷組成的液體制品，它具有儲(chǔ)氧能力強(qiáng)、氧氣在其中的傳輸速度快兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因此，在制備膜電極過(guò)程中將其隨磷酸均勻的添加到陰極催化層中可以避免因氧傳質(zhì)差導(dǎo)致的電池性能降低。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高溫燃料電池用陰極催化層及其制備和膜電極
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫燃料電池用陰極催化層，具體的說(shuō)涉及一種用于提高高溫燃料電池陰極氧傳質(zhì)的陰極催化層；
[0002]本發(fā)明還涉及上述陰極催化層的制備方法；
[0003]本發(fā)明還涉及由上述陰極催化層制備的膜電極。
【背景技術(shù)】
[0004]傳統(tǒng)的聚合物電解質(zhì)膜型燃料電池膜電極中使用的電解質(zhì)為全氟磺酸類(lèi)化合物，如商品化的Nafion I旲。這類(lèi)電解質(zhì)價(jià)格昂貴，而且為使該電解質(zhì)具有聞質(zhì)子電導(dǎo)，電解質(zhì)膜必須充分水合。該電解質(zhì)在高溫或加濕不充分的條件下易發(fā)生失水并降解，使得燃料電池性能顯著下降，因而組建的相應(yīng)燃料電池常壓最高工作溫度為100°c。而且電解質(zhì)所需的水通過(guò)反應(yīng)氣加濕供給，加濕器增加了燃料電池系統(tǒng)的體積，降低了整體效率。全芳結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑是一類(lèi)高性能材料，具有極高的耐熱性能、優(yōu)異的力學(xué)性能、極好的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的介電性質(zhì)和紡絲性能，在宇航、微電子等領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)磷酸摻雜的聚苯并咪唑膜是一種具有優(yōu)良抗氧化性和熱穩(wěn)定性的聚合物電解質(zhì)膜，至250°C高溫仍可保持較高質(zhì)子傳導(dǎo)率和一定的力學(xué)強(qiáng)度。這類(lèi)材料在新型低成本高溫聚合物電解質(zhì)膜型燃料電池領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，因此受到廣泛關(guān)注。
[0005]在上述磷酸摻雜的聚苯并咪唑膜作為電解質(zhì)膜的燃料電池中，磷酸通常會(huì)滲透到膜電極的催化層中造成氣體擴(kuò)散電極中的部分孔堵塞，而磷酸又是一種溶氧性較差，同時(shí)氧氣在磷酸中傳輸速率也很小的液體，因此其在氣體擴(kuò)散電極中的存在必將導(dǎo)致氧氣在陰極氣體擴(kuò)散電極中的傳輸阻力增大進(jìn)而導(dǎo)致電池性能下降。
[0006]中國(guó)專(zhuān)利200810069270.2披露了一種有序化抗溺水氣體多孔電極的制備方法，該方法將硅油滲入到傳統(tǒng)Pt/c氣體多孔電極的催化層和擴(kuò)散層空隙中，干燥后制得有序化抗溺水氣體多孔電極。上述電極雖然能部分解決傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池水淹的問(wèn)題，但對(duì)于高溫燃料電池并不試用。不僅如此，由于該專(zhuān)利采用真空抽濾的方法制得，該制備方法一方面容易導(dǎo)致電極破損，另一方面也因滲透不均導(dǎo)致電池性能提高不明顯。
[0007]中國(guó)專(zhuān)利201010567204.5披露了用于質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極擴(kuò)散層及其制備和應(yīng)用。該擴(kuò)散層中添加氧化鈰等儲(chǔ)氧材料提高氧氣在陰極的傳質(zhì)能力，但由于氧化鈰不溶于磷酸，因此上述方法也解決不了高溫燃料電池存在的氧傳質(zhì)能力差的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本專(zhuān)利針對(duì)上述問(wèn)題，在陰極催化層制備中，引入可以提高氧傳質(zhì)速率同時(shí)溶氧性能好的硅油，以期降低電池陰極傳質(zhì)極化，提高電池性能。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下具體方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0010]一種高溫燃料電池用陰極催化層，陰極催化層中含有氧還原催化劑、粘結(jié)劑、疏水齊U、硅油和磷酸；[0011]所述硅油的分子式為:
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:陰極催化層中含有氧還原催化劑、粘結(jié)劑、疏水劑、硅油和磷酸；所述硅油的分子式為:
2.如權(quán)利要求1所述高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:所述硅油為甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氣硅油、甲基苯基硅油、甲基氣苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羥基硅油、乙基含氫硅油、羥基含氫硅油、含氰硅油中一種或兩種以上的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:所述陰極氧還原催化劑為 Pt/C、Pt 黑、PtRu 黑、PtRu/C、PtSn/C、PtMo/C、PtFe, PtCo, PtN1、PtPcU PtAu, PtiPd/C、PtiPdlr/C, PdCoiPd/C, PtFe/C、PtCo/C、PtNi/C、PtPd/C、FeTMPP, WC、Fe/N-C、Co/N-C、Ni/N-C、MnOx/M、PdFe、PdCo、PdN1、PdMo, Pdff, PdRe、PdAu、PdCu、Ni Zr、N-C 中的一種或二種以上；
所述陰極催化層中催化劑載量為0.2-6mg.cm—2。
4.如權(quán)利要求1所述高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:所述氧還原催化劑與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為100:1-5:1 ;所述氧還原催化劑與疏水劑的質(zhì)量比為100:1-10:1 ;所述硅油與氧還原催化劑的質(zhì)量比為1:10-1:1 ;所述硅油與磷酸的質(zhì)量比為1:5-1:850。
5.如權(quán)利要求1所述高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:所述粘結(jié)劑為PB1、PTFE, PFA、ETFE, Naf ion、PVDF, PVF中的一種或兩種以上；所述疏水劑為PTFE或PVDF。
6.一種權(quán)利要求1-5任一所述高溫燃料電池用陰極催化層的制備方法，其特征在于:陰極催化層的制備包括以下步驟， (1)陰極催化劑漿液的配制: a.于每100克50wt.% -85wt.%的磷酸溶液中加入0.1_10克硅油，混合均勻后得溶有硅油的0.lwt.% -1Owt.%硅油磷酸溶液； b.稱(chēng)取氧還原催化劑，用去離子水潤(rùn)濕后，加入粘結(jié)劑，其中氧還原催化劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為100:1-5:1，再加入疏水劑，氧還原催化劑與疏水劑的質(zhì)量比為100:1-10:1，最后加入與催化劑質(zhì)量比為50:1-10:1的溶劑，超聲混合均勻后得催化劑前漿液； 所述溶劑為聚甲基丙烯酸胺(DMAc)，或聚甲基吡珞烷酮(NMP)，或聚甲基丙烯酸胺(DMAc)和聚甲基吡珞烷酮(NMP)的混合物； c.于步驟(I)b所得催化劑前漿液中，緩慢加入上述步驟(I )a所得溶有硅油的磷酸溶液，其中硅油與氧還原催化劑的質(zhì)量比為1:10-1:1，混合均勻后得催化劑漿液； (2)陰極催化層的制備: 將上述催化劑漿液制備于高溫電解質(zhì)膜一側(cè)表面或陰極氣體擴(kuò)散層表面，至陰極氧還原催化劑擔(dān)載量為0.2-6mg.cnT2，真空干燥后得CCM結(jié)構(gòu)的陰極催化層或GDE結(jié)構(gòu)的陰極催化層； 或者將催化劑漿液制備于PTFE薄膜表面，至氧還原催化劑擔(dān)載量為0.2-6mg.cm_2，真空干燥后采用轉(zhuǎn)壓的方法將陰極催化層制備于高溫電解質(zhì)膜一側(cè)表面，得轉(zhuǎn)壓法制備的陰極催化層； 真空干燥條件為120-200°C，干燥時(shí)間為l-10h。
7.—種高溫燃料電池用膜電極，其特征在于:膜電極包括陽(yáng)極催化層、耐高溫電解質(zhì)膜和權(quán)利要求1- 5所述陰極催化層。
【文檔編號(hào)】H01M4/90GK103887525SQ201210563370
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】孫公權(quán), 景粉寧, 楊林林, 王素力 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所