[发明专利]一种自支撑膜电极的制备方法及其应用

说明书

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种自支撑膜电极的制备方法及其应用。步骤包括：电极基底层的预处理；亲水性电极基底层的制备；以H₂PtCl₆粉末、水、硫酸配制电沉积溶液；自支撑电极和自支撑膜电极的制备；本发明通过电沉积的方式制备自支撑膜电极，简单且容易操作，沉积均匀，避免了传统商业催化剂喷涂过程中贵金属催化剂的损失；同时通过电沉积的方式改变下限电位得到不同形貌的铂颗粒，有效避免了铂基催化剂的溶解和奥斯瓦尔德熟化，提高了燃料电池的耐久性；并且还可进一步增强催化剂的氧化还原反应性能。本发明制备的自支撑膜电极用于高温质子交换膜燃料电池的用途，具备广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种自支撑膜电极的制备方法及其用于高温质子交换膜燃料电池的用途。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效的氢能转换装置，能够将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能，作为一种绿色、高效的能源转换装置，被认为是解决能源危机和环境污染问题的重要途径，近年来受到了广泛的关注。催化剂是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键材料之一，其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程，提高反应速率。质子交换膜燃料电池分为低温质子交换膜燃料电池(LT-PEMFC)和高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)。低温质子交换膜燃料电池通常的反应温度在60-80℃，产生液态水，容易在电池的阴极发生水淹，严重影响了电池的正常运行。高温质子交换膜燃料电池通常的反应温度在140-180℃，阴极产生的是水蒸气，不存在水淹的风险。提高运行温度被认为是解决目前质子交换膜燃料电池面临主要问题的理想途径。基于磷酸(H₃PO₄)掺杂聚苯并咪唑(PBI)的高温质子交换膜燃料电池是目前最成功的体系。然而，高温膜体系中质子传导依赖于磷酸电解质，因此一定量的磷酸需合理分布于整个膜和电极中维持高的质子传导率。但是由于气体(如O₂)在磷酸中的低溶解度和低扩散速率，以及磷酸在Pt催化剂表面的吸附作用，造成电极中氧还原反应(ORR)效率低下，成本上升。而且在高温和强酸的条件下，容易引起Pt催化剂老化，导致电池寿命减少。并且传统商业铂碳催化剂(Pt/C)使用的喷涂工艺复杂，使用的粘结剂会导致催化剂活性面积减少，影响电池性能，过程中损失量大，铂催化剂与基底层结合力不强。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的铂基催化剂电极的缺陷，提供了一种自支撑膜电极的制备方法及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用。本发明的电极使用电沉积的方法在碳纸上沉积具有特殊形貌的铂颗粒，大幅降低了催化剂中铂用量，提高了催化剂的利用率，相较于传统的铂基催化剂，实现催化性能进一步提升，并且通过电沉积的方式改变下限电位得到不同形貌的铂颗粒，简单而且容易操作，避免了喷涂中造成的贵金属催化剂的损失，不使用粘结剂，能暴露出更多的活性位点，而且沉积均匀，催化剂与碳纸的结合力更强，减少了接触阻力，是一种具有潜力的燃料电池电极。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，具体步骤如下：

(1)电极基底层的预处理：将碳纸或碳布作为电极基底层，根据需求进行裁剪，然后浸入丙酮中加热洗涤，除去表面污垢和官能团，加热洗涤后在去离子水中进行超声洗涤，去除表面的丙酮，得到预处理的碳纸或碳布；

(2)制备亲水性电极基底层：将硫酸A(H₂SO₄)和硝酸(HNO₃)混合，得到混合酸；然后将步骤(1)中预处理后的碳纸或碳布浸入混合酸中进行第一次超声，然后取出碳纸或碳布再次浸入去离子水中进行第二次超声，超声后用去离子水冲洗数次，最后浸入硫酸B中备用；

(3)配制沉积所用的溶液：取H₂PtCl₆粉末用去离子水稀释，得到H₂PtCl₆稀释液；然后在水中加入硫酸(98wt％)，再加入H₂PtCl₆稀释液，混合均匀，得到电沉积溶液；