[发明专利]一种燃料电池催化层结构及其制备

说明书

本发明公开了一种燃料电池催化层结构及其制备。质子交换膜燃料电池在运行过程中，其电化学反应过程会产生大量的羟基自由基，会攻击质子交换膜以及离子导体聚合物的高分子骨架，造成磺酸根的流失，导致离子传导率的下降以及造成膜渗漏等问题。本发明针对上述问题，提出一种可以改善燃料电池稳定性的催化层结构，通过在催化层制备浆料中掺杂具有自由基淬灭功能的添加剂，进而达到提高燃料电池稳定性的目的。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种改进燃料电池稳定性的电极催化层制备方法。

背景技术

人类社会的快速发展，造成石油、煤炭等不可再生资源的过渡使用，给地球生存环境造成了极大的破坏，同时也造成资源的日渐短缺。在美国、欧洲、日本等发达国家的引领下，氢能时代已经到来，但是氢能的使用却不同于传统能源，需要专业的装置将氢能转化为电能为人类使用。质子交换膜燃料电池正是高效利用氢能的一种发电装置，其采用电化学的发电原理，类似于内燃机的工作方式，可以源源不断的把氢中的化学能转化为电能释放出来。因其较高能量转化效率、较大的功率密度以及较低的工作温度，可以在汽运交通、分布电站等民用领域得以应用，同时在航空航天、水下潜艇等军用领域也被广泛关注。

质子交换膜燃料电池的结构是由几十至上百片膜电极、双极板交替串联组成，电池的两端采用绝缘端板密封并夹紧固定，电池工作过程中，气体经共用管道分配到各节膜电极上发生反应，各节电池生成水再经共用管道流出。其中膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，其通常由中间的质子交换膜将膜电极分为阴极和阳极，阴阳极各有一层催化层、一层微孔层、一层支撑层。其中催化层是电化学反应发生的场所，从材料角度由催化剂和离子导体聚合物组成，从功能角度其由质子导体、电子导体、气体传输通道和液体传输通道构成了电化学反应必须的三相界面。其中氧气在阴极催化层被还原时，容易产生羟基自由基，其对离子导体聚合物进行攻击，使其中的磺酸根发生脱落，造成催化层质子传导能力下降，甚至经由催化层进入到质子交换膜，对质子交换膜的骨架结构进行攻击。

因此，如何改进催化层的组成和结构，以避免自由基对电极关键材料造成的破坏，对于提高燃料电池寿命和可靠性具有非常重要的科学意义。

相关专利

为了提高质子交换膜的抗自由基能力，申请号为200980128524.6的专利中提出，使聚合物电解质中含有有机/无机混合粒子，其中作为自由基清除剂的无机粒子的表面被有机化合物改性。利用无机粒子对自由基的淬灭作用，可以避免自由基对质子交换膜高分子骨架的攻击，进而提高质子交换膜的寿命。

发明内容

上面相关专利1是从质子交换膜的结构上进行改进，通过在质子交换膜内部掺杂具有抗自由基功能的无机粒子，实现质子交换膜的抗自由基能力，进而提高膜电极的运行稳定性。而与之不同的是，本发明是在普通的质子交换膜表面的催化层中添加具有抗自由基能力的添加剂，使催化层中生成的自由基原位被消除，进而起到保护离子交换树脂的作用。

本发明的目的在于提供一种高稳定性的燃料电池催化层结构，主要针对电池运行过程中产生的羟基自由基对离子导体聚合物造成的攻击破坏，通过向催化层中添加自由基淬灭剂，实现原位消除电化学反应生成的羟基自由基，以避免对聚合物的攻击，改进电池运行的稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：在制备阴极和阳极催化层的浆料中添加抗自由基淬灭剂，混合均匀后，将上述浆料刮涂到气体扩散层表面，或直接喷涂到质子交换膜表面，形成带有自由基淬灭剂的催化层结构。

所述的催化层，其特征在于，抗自由基添加剂的添加量占整个催化层重量的1-20％，其与催化剂颗粒一起均匀的分散在整个催化层中，并与离子导体聚合物一起形成聚集体结构。