[发明专利]一种低载量直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明提出一种低载量直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法，在催化剂载量降低的条件下通过MEA结构优化降低阳极极化损失和甲醇渗透对阴极性能的影响，从而保证电池在低载量条件下的性能达到工作点要求。结构优化后的MEA组装单池并测试其性能和稳定性，载量降低对电池短时间的性能和稳定性没有影响，电池长时间运行上千小时后才出现明显衰减。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种低载量直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术

与传统化石能源相比，燃料电池具有高效、零污染等优点，是新能源汽车和固定电站的首选替代能源，受到各国研究人员广泛关注，但高成本是制约其发展和广泛应用的主要原因。膜电极作为燃料电池的关键部件，直接决定燃料电池的性能、寿命和成本，燃料电池系统中膜电极的成本约占总成本的60％以上。为了尽快实现燃料电池商业化，必须降低燃料电池的成本，即膜电极成本。而膜电极生产中，以直接甲醇燃料电池膜电极为例，催化剂的成本占75％左右。因此，降低燃料电池的成本，最终均归结于降低膜电极中催化剂的成本。通常通过降低催化剂载量和使用非贵金属催化剂来降低膜电极成本，但是一般这两种方案均会影响MEA的性能和寿命。

本发明提出一种低载量直接甲醇燃料电池MEA的制备方法，在催化剂载量降低的条件下通过MEA结构优化降低阳极极化损失和甲醇渗透对阴极性能的影响，从而保证电池在低载量条件下的性能达到工作点要求。

发明内容

本发明提出一种低载量直接甲醇燃料电池MEA的制备方法，在催化剂载量降低的条件下通过MEA结构优化降低阳极极化损失和甲醇渗透对阴极性能的影响，从而保证电池在低载量条件下的性能达到工作点要求。结构优化后的MEA组装单池并测试其性能和稳定性，载量降低对电池短时间的性能和稳定性没有影响，电池长时间运行上千小时后才出现明显衰减。本发明采用如下技术方案：

本发明一方面提供一种甲醇燃料电池膜电极(MEA)，所述膜电极依次包括阳极扩散层担载催化层(阳极GDE)、膜担载催化层(CCM)和阴极扩散层；所述阳极GDE依次包括阳极扩散层和阳极催化剂层Ⅰ；所述膜担载催化层依次包括阳极催化剂层Ⅱ、膜和阴极催化剂层；所述阴极催化层靠近阴极扩散层，所述阳极催化剂层Ⅱ靠近阳极催化剂层Ⅰ，所述阳极催化剂层Ⅰ和阳极催化剂层Ⅱ包含阳极催化剂，为阳极催化剂层；所述阴极催化剂层包含阴极催化剂；所述阳极催化剂层Ⅰ和阳极扩散层形成GDE结构，阳极催化层Ⅱ和膜形成阳极CCM结构，阴极催化层与膜形成阴极CCM结构。

基于以上技术方案，优选的，所述膜电极(阴阳极)贵金属载量低于3mg/cm²，也就是膜电极的阴极催化层与阳极催化层(阳极催化层Ⅰ和阳极催化层Ⅱ)的贵金属载量均低于3mg/cm²，与一般正常载量5-6mg/cm²相比催化剂用量可降低40-50％。所述阴阳极贵金属比例为1:5-5:1，优选为1:2-1:1。即所述阴极催化剂层的贵金属的载量与阳极催化剂层Ⅰ和阳极催化剂层Ⅱ的贵金属的载量的比例为1:5-5:1，优选1:4-4:1，更优选为1:2-2:1，进一步优选为1:2-1:1。

基于以上技术方案，优选的，所述阳极催化剂层Ⅱ与阳极催化剂层Ⅰ中贵金属的载量的比例为1:10-10:1，优选1:5-4:1。即阳极采用CCM和GDE复合结构，其中CCM和GDE中催化剂的比例为1:10-10:1，优选1:5-4:1。

基于以上技术方案，优选的，所述阳极催化剂为PtRu/C或PtRu黑，所述PtRu/C为45-75wt％PtRu/C，如45wt％PtRu/C、60wt％PtRu/C、75wt％PtRu/C；所述阳极催化剂层中贵金属载量为1-3mg cm-²，优选2.5-3mg cm-²；所述阴极催化剂为：Pt/C或Pt黑，所述Pt/C为20-75％PtC，如20wt％Pt/C、40wt％Pt/C、60wt％Pt/C、Pt黑。阴极催化层中贵金属载量为0.5-2.5mg cm-²，优选为1-1.5mg cm^-2。