[发明专利]低Pt载量膜电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种低Pt载量膜电极及其制备方法。其中，低Pt载量膜电极包括：低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极。低Pt载量膜电极的制备方法包括：制备催化剂浆料；将制备好的催化剂浆料涂覆于气体扩散层表面并干燥；将涂覆催化剂的气体扩散层进行烧结，完成低Pt载量气体扩散电极的制备；将质子交换膜浸入适当温度的掺杂酸溶液中，完成酸掺杂的高温质子交换膜的制备；热压后得到低Pt载量膜电极。通过采用低Pt载量催化剂层，不仅降低了Pt载量，同时降低了催化层的厚度，使其在不影响氢气和氧气传输及质子迁移率的同时，提供足够的催化活性位，满足燃料电池的使用。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种低Pt载量膜电极及其制备方法。

背景技术

按照使用温度的不同，质子交换膜燃料电池可分为高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）和低温质子交换膜燃料电池（LT-PEMFC）两种，通常前者的使用温度不超过100℃，质子传导的介质是水，而后者的使用温度范围为100~200℃，质子传导的介质一般为非水的质子溶剂。高温质子交换膜燃料电池具有CO耐受性高、电化学反应活性高、无水管理系统、热管理系统简单等优点，不仅简化了系统，更是采用来源广泛、便于携带的甲醇水溶液作为燃料，省去了氢气的提纯和存储过程，在汽车、能源发电、航空航天、家用电源等行业具有广阔的应用前景，国内外广泛开展HT-PEMFC关键材料和部件的相关开发和研究。

高温燃料电池用膜电极主要由阳极气体扩散层（GDL）、阳极催化层、高温质子交换膜、阴极GDL、阴极催化层。针对高温膜电极磷酸易流失的情况，往往在高温质子交换膜和催化层之间添加防止磷酸流失的保护层。目前常用的制备高温膜电极的方法为：将贵金属催化剂颗粒分散在溶剂中，加入粘结剂，充分分散，成为催化剂浆液。然后涂覆至GDL，经干燥和烧结过程形成多孔结构的气体扩散电极（GDE），再与磷酸掺杂的聚苯咪唑（PBI）薄膜组装成为高温膜电极。催化层是电化学反应真正发生的场所，需要将阳极催化层中生成的质子传递到质子交换膜表面，然后穿过质子交换膜到达阴极催化层，在Pt催化剂表面与氧气和外电路传递过来的电子发生电化学反应生成产物水。催化层厚度是一个关键的参数，太厚不仅影响氢气和氧气在其中的传输，还会影响质子在其中的迁移，太薄则Pt载量过低，不能提供足够的活性位。

目前，HT-PEMFCs中氢氧化和氧还原的催化剂均为碳载的Pt或Pt合金催化剂。目前商业化的高温膜电极中Pt载量高达2 mg/cm²，Pt的比功率载量为8 g/kW，为LT-PEMFCs的十几倍。HT-PEMFCs的成本分析表明，年产量50万台套时，催化剂成本高达电堆成本的66%，为制约HT-PEMFCs推向市场的主要因素。为此，有效降低膜电极中的Pt载量，为HT-PEMFCs产业化的重要途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种低Pt载量膜电极及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低Pt载量膜电极，包括：低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极；

所述低Pt载量阳极气体扩散电极、高温质子交换膜以及低Pt载量阴极气体扩散电极依次叠合。

进一步的，所述低Pt载量阳极气体扩散电极由阳极气体扩散层和低Pt载量阳极催化层组成，所述低Pt载量阴极气体扩散电极由阴极气体扩散层和低Pt载量阴极催化层组成，所述低Pt载量阳极气体扩散电极以及所述低Pt载量阴极气体扩散电极与所述高温质子交换膜叠合时，低Pt载量阳极催化层和低Pt载量阴极催化层分别与质子交换膜相接触。

进一步的，所述高温质子交换膜为酸掺杂的聚苯并咪唑及其衍生物、聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮、聚苯并咪唑/ 聚醚醚酮复合膜、聚苯并咪唑/ 磺化聚醚醚酮复合膜、聚苯并咪唑/ 聚酰亚胺复合膜中的任意一种。

本发明还提供了一种低Pt载量膜电极的制备方法，包括：

制备催化剂浆料；