[发明专利]原位生长于气体扩散层上的铂钯合金催化剂的制备方法及其应用于燃料电池电极

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，涉及催化剂，尤其涉及一种原位生长于气体扩散层上的铂钯合金催化剂的制备方法，包括：先将基材憎水处理，再涂布碳粉与聚四氟乙烯分散液的混合浆料，煅烧后得到气体扩散层；经涂布获得含有铂层的气体扩散层，再铂层朝上，依次加入水、铂和钯的前驱体、还原剂及表面活性剂，静置，使催化剂还原生长到铂层之上，均匀滴加质子导体溶液后静置、干燥即得。本发明还将所制得催化剂应用于质子交换膜燃料电池的电极材料。本发明优化了传统电极制备的复杂工艺，降低了制造成本，将气体扩散层和催化层合二为一，增强了之间的相互作用，降低接触阻力；从而提高电化学反应速率、能量转换率和催化剂利用率及燃料电池的耐久性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及催化剂，特别涉及一种原位生长于气体扩散层上的铂钯合金催化剂的制备方法及其应用于燃料电池电极。

背景技术

化石燃料的使用会排放大量有害气体，造成严重的环境污染，其储量正在下降，且不可再生。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效的氢能转换装置，能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，具有绿色环保、高比能量、低温快速启动和高平稳运行的特点，可应用于新能源汽车、野外移动供电以及静默动力供电等诸多领域，在提高能源效率和减少温室气体排放方面被认为是很有前景的替代方案，是替代内燃机的理想动力来源，近年来受到了广泛地关注与研究。

在质子交换膜燃料电池中，气体扩散电极是核心部件，对电池的性能起着重要的决定作用。美国能源部(DOE)提出2020年车用MEA技术指标是：成本低于$14kW^-1，耐久性要求达到5000h，额定功率下功率密度达到1W cm^-2。按此要求，贵金属Pt的总用量应小于0.125mgcm^-2，0.9V时电流密度应达到0.44A cm^-2。

气体扩散电极由气体扩散层(GDL)和催化层(CL)组成，其中催化层是氢氧化反应和氧还原反应的主要场所，对质子交换膜燃料电池的性能和耐久性有很大影响。催化层中使用的催化剂主要是贵金属铂基材料，占质子交换膜燃料电池成本的大部分。因此，催化层和催化剂的制备不仅决定了质子交换膜燃料电池的性能，也决定了其成本。对于催化层，现有两个关键的技术挑战需要解决：(1)整个电池运行过程中催化层的活性和稳定性；(2)催化剂和催化剂层的制造成本。目前常用的制备催化层的方法是利用商业Pt/C和PtCo/C催化剂制备催化剂油墨，然后将油墨喷涂在气体扩散层上，或者喷涂在质子交换膜上。这两种方法都很复杂，需要对工艺进行仔细控制。同时，商用Pt/C和PtCo/C催化剂在运行过程中会发生奥斯瓦尔德熟化，导致碳载体脱落和Pt粒子聚集，严重影响催化剂的活性和耐久性，从而降低PEMFC的性能和寿命。提高Pt催化剂的性能和优化催化层的制造工艺是提高电池性能、降低成本的关键所在。