[发明专利]一种以导电陶瓷载金属为电催化剂的燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料及氧化剂的化学能直接转化为电能的装置。这种装置的最大特点是其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率高达60％-80％，实际使用效率是普通内燃机的2-3倍，而且燃料电池还具有燃料多样化、环境友好、几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物等优点。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的开发与应用备受重视，被认为是21世纪首选的洁净和高效的发电方式。

燃料电池种类很多，按照电解质类型可以分为：碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)燃料电池。目前公认最具应用前景的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。它具有可室温可快速启动、比功率与比能量高等突出优点，因此特别适合用作电动车及便携式电子设备的电源。

膜电极(CCM，Catalyst Coated Membrane)是燃料电池的核心部件，是燃料和氧化剂发生电化学反应产生电能的部位。该膜电极是由质子交换膜及两边的催化层三层组成。膜电极的催化层中电催化剂的耐久性对于燃料电池的性能和使用寿命具有非常重要的意义。目前PEMFC所用的电催化剂主要炭载铂基催化剂，由于在质子交换膜燃料电池苛刻的运行环境(高湿、强酸性PH＜2)、高温(50～90℃)、高电压(0.60～1.2V)及高浓度的O₂中，碳黑会发生电化学腐蚀，特别是在Pt催化作用下，加速与之接触的碳黑表面的腐蚀，导致与Pt微粒悬空，促使Pt迁移、团聚和烧结，从而降低了催化剂的使用效率和耐久性。因此，膜电极所用催化剂的使用效率及耐久性对提高燃料电池的性能和使用寿命具有十分重要意义，是当前需要解决的迫切问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，旨在提供的一种低成本和高耐久性的燃料电池以导电陶瓷载金属为电催化剂的燃料电池膜电极及其制备方法。

本发明目的的实现方式为，一种以导电陶瓷载金属为电催化剂的燃料电池膜电极，由质子交换膜及其两边的催化层三层组成。

一种以导电陶瓷载金属为电催化剂的燃料电池膜电极的制备方法，具体步骤如下：

(1)导电陶瓷载贵金属为电催化剂的制备：将金属化合物溶于丙酮中，再加入导电陶瓷粉体，充分混合均匀后加热到60℃，并不断搅拌使溶剂缓慢挥发至其表面干燥，然后在110℃的条件下真空干燥15h，即得固体粉末；再将固体粉末在250±50℃下用90％H₂/N₂气氛下还原处理5±3小时，后再在Ar气氛下冷却至室温，即得到导电陶瓷载金属催化剂；

(2)燃料电池膜电极的制备：将导电陶瓷载金属催化剂与质量分数为5-20％全氟磺酸树脂乳液混合及去离子水，超声分散30min配制催化剂浆料，80℃真空干燥除去溶剂后均匀涂敷在聚四氟薄膜上，再在压力为1MPa下转印到质子交换膜的两侧，即得到以导电陶瓷载金属为电催化剂的燃料电池膜电极。

利用本发明的燃料电池膜电极可生产低成本和高耐久性的燃料电池，也可用于电动车及便携式电子设备的电源。

附图说明

附图1是本发明的燃料电池膜电极结构示意图。

附图2是本发明实施例1中所制备的燃料电池膜电极的照片。

附图3是本发明实施例1中以Pt/TiSi₂为电催化剂的燃料电池膜电极的单电池CV曲线。

附图4是本发明实施例1中以Pt/TiSi₂为电催化剂的燃料电池膜电极的单电池I-V曲线。

具体实施方式

参照附图，本发明的燃料电池膜电极由质子交换膜2及其两边的催化层1三层组成。

所述的催化剂层是由导电陶瓷载金属催化剂和全氟磺酸树脂所组成，其中电催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为1-10∶1。

所述的导电陶瓷载金属催化剂中金属为铂或铂合金，其中铂合金为铂与钌、铱、钯的合金，其中铂与钌，铱，钯的质量比为4-0.5∶1。导电陶瓷载金属催化剂中铂的质量分数为5-60wt％。催化层上铂载量为0.01-1mg/cm²。

所述导电陶瓷载金属催化剂中导电陶瓷粉体的粒径为5-3000nm，比表面积为1-1000m²/g。导电陶瓷为硅化钛、碳化钛、硼化钛、氮化钛、硅化钼、硼化锆、碳化钨粉体中的一种或几种混合物。

本发明的制备方法是：

具体步骤如下：