[发明专利]一种燃料电池催化层、基于其的气体扩散层及制备方法

说明书

一种燃料电池膜电极组件，包括电解质膜及附着于电解质膜两侧的催化层，所述催化层为以高分子导电聚合物‑电催化剂为骨架的多孔薄层；与现有技术相比，本发明解决了有序结构电极在成型固化阶段的形貌保持的问题。具有电化学反应催化剂利用率高、制备工艺催化剂损失率低、重复性好、不受环境因素影响、易于批量制备等优点，通过此一方法制备的催化层或膜电极组件中的催化剂分布均匀、结构有序、利用率高、孔结构可控等优点。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池催化层，具体的说是一种用于质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池和质子交换膜型水电解池的催化层；本发明还涉及上述催化层的制备方法。

本发明同时还涉及采用上述催化层的制备方法制备的膜电极组件。

背景技术

为了提高催化层的性能，降低电催化剂用量、提高催化效率，设计具有高效传质效率的气体扩散电极是成功的关键。同时，针对气体扩散电极的批量生产，气体扩散电极的性能、稳定性、一致性是产品的核心指标。目前常用的制备气体扩散电极的方法为：将贵金属催化剂颗粒分散在乙醇、乙二醇等溶剂中，加入Nafion作为粘结剂，充分分散，成为催化剂浆液。该催化剂浆液通过喷涂、刷涂等方法制备于扩散层或质子交换膜上，经干燥过程形成GDE或CCM结构的膜电极。上述传统的膜电极制备方法的喷涂、刷涂、干燥过程容易受到环境温度、湿度、灰尘等条件的影响，所得到的催化层形貌、孔结构、孔隙率、孔径分布等参数的一致性和重现性不好，导致了膜电极性能的一致性和重现性差。而膜电极的一致性、重复性是其用于组装电堆时的核心指标，直接影响电堆的性能。综上所述，膜电极中可有效进行物质传递的疏松多孔结构、以及制备的膜电极的一致性和重现性对于燃料电池技术的进一步发展起到了决定性作用。

使用冻干辅助电场的方法制备催化层，是利用均匀的水性催化剂浆液瞬间冷冻、低压升华的方式固化催化剂组分在电场下取得的有序结构，得到有序的催化层内的催化剂分布以及可批量化制备、可重复的催化层构型。此方法可提高催化剂的利用率，得到高孔隙率且孔径、孔分布方便调变的有序催化层构象，制作高传质效率的催化层。本方法制备的催化层具有非常好的重现性和放大性，因为该方法对于决定催化层性能的孔隙率、孔分布等参数有非常好的控制和重现性。而目前通常采用的催化剂制备方法，如刷涂、喷涂，催化剂的损失率大，并且由于制备过程经过溶剂挥发过程，甚至是自然条件下的溶剂挥发，由此造成的膜溶胀、催化层龟裂、厚度不均匀等问题无法解决，所制备的膜电极性能的孔结构和分布受到环境因素的影响非常大，所以得到的产品的重复和一致性不佳，而且所得到的组分无序分布的催化层和反应物传质通道造成催化剂的利用率低、传质阻力大。

发明内容

鉴于以上现有的技术缺点，本发明的目的在于提供一种结构有序催化层及其制备方法，并进一步的提供一种燃料电池膜电极组件及其制备方法。

本发明采用以下技术方案来实现：

一种燃料电池催化层，其构成材料包括高分子导电聚合物Nafion和电催化剂；Nafion为带有偶极的分子，其有电场响应特性。

以相互交织的Nafion憎水主链(碳氟主链)形成催化层的支撑骨架，于支撑骨架内部存在二种有序通道，其一是由催化剂碳载体颗粒从催化层上表面到下表面顺序排列构成的电子导电通道，其二是由Nafion亲水基团(磺酸根基团)从催化层上表面到下表面顺序排列形成的离子导电通道，所述有序通道是指通道垂直催化层表面。

所述电催化剂为担载型或非担载型电催化剂；所述电催化剂的活性组分为铂纳米颗粒，质量担载量为0.1％-60％，碳载电催化剂与Nafion质量比0.1％-45％。

冷冻法制备的有序化催化剂纳米阵列与纺丝法或模板法、自组装等方法制备的纳米阵列的却别在于，电场中可同时实现质子导体和电子导体的有序。电场施加同时采用的冷冻手段可固化有序形貌，克服流体流动和机械转移造成的有序结构的破坏。

具有所述催化层的气体扩散电极，包括气体扩散层和附着于气体扩散层表面的所述催化层。