[发明专利]一种质子交换膜燃料电池催化层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种传质优化的燃料电池催化层及其制备方法及包含此催化层的膜电极和燃料电池。此方法通过在催化剂浆料中添加十六烷基三甲基溴化铵实现催化层的高氧传输。该燃料电池催化层包含催化剂、全氟磺酸树脂和十六烷基三甲基溴化铵。该膜电极包括涂覆有阴阳极催化层的质子交换膜及其两侧的阴阳极气体扩散层，催化层是上述传质优化的催化层。该制备方法不仅简单可行、绿色环保，而且得到的膜电极较常规膜电极具有更高的电化学输出性能，可有效提高氧气至催化剂表面的传递能力及在高电流密度下的工作性能。本发明所使用的设备要求低，原料成本低廉，制备工艺简单、快捷、条件温和，适用于大规模的工业生产。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种传质优化的催化层及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）是一种将燃料和氧化剂的化学能可控转换成电能的发电装置，其具有能量转化效率高、环境友好等特点，可应用于新能源交通工具、分布式电站、便携式电子装置等领域。

贵金属铂是氢气和氧气电化学反应活性最高的材料，电子导电性高，耐腐蚀性、稳定性好，所以是燃料电池最主要的催化材料。但是Pt作为有限矿产资源，面临资源枯竭问题。因此为了减少Pt的使用量，一方面需要降低单位活性面积的Pt载量；另一方面需要提高电池的工作电流密度。通用汽车公司发现，对于商业化的Pt/C催化剂，在H₂/空气、1.5 A/cm²条件下，阴极Pt载量降低为0.2 mg_Pt/cm²时性能下降约60 mV，Pt 载量降到 0.1 mg_Pt/cm²时性能急剧下降约180 mV。当阴极Pt载量降低而需要产生相同电流时，单位重量的Pt上反应需要的氧气与Pt载量成反比，因此提高氧传输能力至关重要。

目前，降低燃料电池Pt载量的方法主要有制备高催化活性的低Pt催化剂，其次是通过优化膜电极催化层中的三相界面提高催化剂的利用率。例如徐维林等（中国专利“一种铂单原子分散的催化剂及其制备方法”，专利申请号：201511017815.1）以碳载体、非金属杂原子试剂和铂化合物为原料设计制备了一种铂单原子催化剂，提高了铂的利用率。侯明等(中国专利“一种质子交换膜燃料电池用低铂催化层的制备方法”，专利申请号：201410624103.5)通过静电纺丝技术优化电极结构以降低Pt担量。但是目前针对催化层中的反应微区环境进行优化的研究仍然较少，为了最大程度提高燃料电池的性能以降低铂担量，需要对催化层的反应环境进行更细致的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极催化层及其制备方法，该方法添加阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）与全氟磺酸树脂中带负电荷的磺酸根基团通过静电力作用而降低催化层中全氟磺酸树脂薄膜的致密性，从而提高催化层的氧传输能力。具有安全性强，操作简单，性能好等优点。

所述燃料电池催化层，包含催化剂、全氟磺酸树脂和十六烷基三甲基溴化铵。

所述催化剂包括载体和活性物质，活性物质优选为Pt、PtCo、PtNi或PtRu，活性物质的质量百分含量优选为10％～70％。

所述燃料电池催化层中全氟磺酸树脂、催化剂载体、及十六烷基三甲基溴化铵的质量比优选为0.2～1.5：1：0.05～0.5。

为了实现上述目的，所述燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1) 先将催化剂加水搅拌润湿后加醇，搅拌、超声震荡；加入全氟磺酸树脂溶液和十六烷基三甲基溴化铵溶液，搅拌、超声震荡得到分散均匀的催化剂浆料；

(2) 将所得浆料涂覆到质子交换膜两侧，烘干，即在质子交换膜两侧表面形成传质优化的燃料电池催化层。