[发明专利]疏水剂/导电碳材料复合体的新用途

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，具体涉及用作燃料电池用电催化剂载体的疏水剂/导电碳材料复合体的应用。

背景技术

燃料电池，作为一种高效、环境友好的发电装置，受到越来越广泛的关注。低温燃料电池(操作温度≤80℃)包括质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和直接醇类燃料电池(Direct alcohol fuel cell，DAFC)，因其能量转化率高，环境友好、操作温度低等优点，被认为在汽车动力、移动电源及小型电站等方面有着广泛的应用前景。

电极是燃料电池中发生电化学反应的场所。如在PEMFC和DAFC中阴极侧发生的电化学还原反应为：

O₂+4H⁺+4e^-→H₂O

由电极反应方程式可知，为保证反应的顺利进行，反应点处必须同时具备有质子、电子、反应气体的连续传输通道，同时反应产物-水的及时排除也是保证该反应顺利进行的必要因素。通常反应区的电子传导通道由导电性的电催化剂(如Pt/C)来实现。质子传导通道由电解质(离子交换树脂，如Nafion)来构建。反应气体和产物水的传递通道由各组成材料间形成的空隙来充当。通常将由“催化剂/反应气体/电解质”的交界处称为“三相反应区”。目前，电极结构的研究主要集中在：如何有效构筑“三相反应区”，提高催化剂的利用率，减小活化极化损失；如何有效构建电极的三维多孔网络结构，提高反应气体和反应产物的传输能力，减少传质极化损失。

在低温燃料电池发展过程中，形成了多种电极的制备工艺，电极结构也不断改变，各种制备技术的共同目标都是提高催化剂利用率，加强电极内部的传质。目前，被广泛采用的电极结构基本可以分为四大类，即：厚层疏水型电极、薄层亲水型电极、亲/疏水复合型电极以及超薄层电极。

厚层疏水型电极制备过程为：将Pt/C催化剂与一定量的PTFE混合均匀后制备在扩散层上，经一定温度焙烧后实现PTFE的粘结与疏水作用后，再在表面喷一层由低级醇稀释的Nafion溶液。该类电极疏水性较好，反应气体的传质比较好。但是由于离子导电聚合物(Nafion)是通过喷入或浸入的方式在催化层表面进入，所以很难保证其充分渗入到催化层内部并与催化剂颗粒充分接触，故电极内催化剂的利用率很低，一般只有10-20％(S.Srininvasan，O.A.Velev，A.Parthasarathy，et al..High energy efficiency and high power densityproton exchange membrane fuel cells-electrode kinetics and mass transport.J.Power Sources，1991，36(3)：299-320)。另外，制备过程中PTFE会包裹住部分催化剂粒子，也是造成催化剂利用率低的一个原因。

薄层亲水型电极制备过程为：首先将5wt.％的Nafion溶液与Pt/C电催化剂混合均匀后，或制备到PTFE膜上，再转压到质子交换膜上；或直接制备到质子交换膜表面，形成电极。该电极的优点是催化剂与Nafion接触充分，催化剂利用率提高。缺点是由于电极内部不含疏水剂，气体传递阻力较大，容易发生“水淹”。

亲/疏水复合型电极制备过程为：首先在扩散层表面制备一层由PTFE和催化剂构成的疏水性催化单层，再在其表面制备一层由Nafion和催化剂构成的亲水性催化单层，两个催化单层共同组成完整的电极。在相同催化剂用量下，复合电极与传统亲水型或疏水型电极相比，表现出较好的传质性能和离子传导性能，催化剂利用率大大提高，电池性能相应提高。缺点是制备工艺相对繁琐，催化层较厚。

超薄层电极是采用物理/化学气相沉积或粒子束溅射等手段在气体扩散层或质子交换膜表面形成的薄层电极。该类电极表现出较优的质量比功率性能，但是面积比功率还比较低，不适合于实际应用。

综上所述，目前存在的电极结构都存在一定弊端。开发催化剂的利用率高，反应气体和反应产物的传输能力强，传质极化损失小以及电极的使用寿命长的电极，具有极其重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是解决传统疏水厚层电极制备过程中，部分催化剂活性粒子会被作为疏水剂的聚合物包裹而利用率降低的问题，以及传统亲水薄层电极中无疏水剂，电极易被“水淹”的问题，提供一种新型的燃料电池用电催化剂载体、其制备以及其在制备电催化剂、低温燃料电池催化剂电极上的应用。