[发明专利]一种质子交换膜燃料电池电极催化层及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池电极，具体地说是一种质子交换膜燃料电池电极催化层及其的制备。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应将燃料和氧化剂中的化学能直接转变为电能的发电装置。它是以具有良好的质子传导性的固体高分子膜为电解质，膜的一侧是由催化层和气体扩散层组成的阳极，另一侧是由催化层和气体扩散层组成的阴极，即催化层介于气体扩散层和质子交换膜之间，电极催化层是电化学反应的场所。阳极、固体高分子电解膜及阴极三者压合在一起构成PEMFC的核心部件—膜电极三合一(MEA)，MEA两侧设置带有气体流动通道的石墨板或表面改性金属板(双极板)后构成质子交换膜燃料电池单电池，数个至数百个单电池以压滤机方式叠合而构成电堆。对阳极供给氢气、甲醇、或重整气等燃料，对阴极供给氧气或空气等氧化剂时，在膜电极三合一上发生电化学反应，将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。

当阳极以氢气或甲醇为燃料，阴极以氧气或空气为氧化剂时，在电极催化剂作用下，分别发生以下电极反应。

阳极：2H₂→4H⁺+4e^-

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

从上式可知，质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电化学反应进行的必要条件是既要有反应物质，又要有质子和电子的供给、传导和授受。即电化学反应是在反应物气体、质子导体、电子导体的三相界面上同时进行，电极催化剂粒子既起催化作用，又起到传导电子(电子通道)的作用，高分子电解质起传导质子(质子通道)的作用。电极中的细孔起到反应物(氢(H₂)、氧(O₂))、生成物(水(H₂O))的传递通道的作用。电极扩散层在电极内起支撑、集流的作用和为气体、水提供通道。为了在阳极和阴极中获得较大的三相反应界面，燃料电池电极通常采用由气体扩散层和催化层构成的气体扩散电极。

燃料电池电极是一种多孔气体扩散电极，电极的性能不仅依赖于电催化剂的活性，还与电极内各组分的配比，电极的孔分布与孔隙率、电极的导电性等因素有关，也就是说电极性能与其结构及制备工艺密切相关。

质子交换膜燃料电池的电极催化层制备方法主要有两类：一类(如USP4647359，文献Ticianelli E A，Derouin C R，Srinivasan S.，J Electroanal Chem，1988；251：275～295所述)是在磷酸燃料电池电极制备工艺基础上发展起来，我们称为传统电极。其制备方法为：将催化剂与一定量的PTFE的水乳液或粉末混合均匀后，涂在气体扩散层上，在一定温度下焙烧后，在催化层表面喷入或浸入Nafion溶液，经干燥后，制得燃料电池电极。美国E-TEK公司采用这种方法利用滚压技术生产的电极，目前已经商业化。在这种电极中，由于采用PTFE作疏水剂，因此氧气的传质比较好。缺点是：1)但由于喷入或浸入的Nafion溶液由于其大分子特性，通常难以充分地渗入催化层内并与催化剂颗粒充分接触，所以H⁺的传导阻力大。催化剂的利用率只有10～20％，大部分催化剂都浪费了；2)由于催化层与质子交换膜的膨胀系数不同，质子交换膜失水后收缩，容易与催化层分离，从而影响膜电极使用寿命；3)采用PTFE做疏水剂，不利于质子、电子传导。