[发明专利]一种燃料电池催化层及燃料电池

说明书

本发明涉及一种燃料电池催化层和燃料电池，属于燃料电池技术领域。所述催化层由电催化剂和离聚物组成。所述离聚物为全氟磺酸离聚体和COFs离聚物的混合物，COFs离聚物可通过溶剂热‑后修饰法、一步溶剂热法或湿法球磨法制备，是一种具有带磺酸基侧链的多孔的、具有二维纳米片结构的粉体材料，离子交换容量可超过1.85meq g^–1，质子传导率可高达94.3mS cm^–1。一种燃料电池，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池，其中的催化层为本发明所述燃料电池催化层，功率密度为单一添加Nafion的同等铂担载量的质子交换膜燃料电池的约1.5倍，电化学表面积和催化剂的质量活性提高了1.6倍。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池催化层及燃料电池，属于燃料电池技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池的基本结构主要由质子交换膜和由内向外依次对称分布在质子交换膜两侧的催化层、扩散层和双极板组成。催化层通常由催化剂和离聚物构成。目前通常使用的催化剂为铂碳类催化剂。催化层中的质子传输、气体输送、电子转移等问题，都大大影响着催化剂的活性和利用率。尤其对于高功率密度的燃料电池来说，在大电流密度下，催化层中的质子传导和气体输送问题更为重要，这些都与离聚物息息相关。离聚物又称离子交联聚合体，是指在大分子主链上含有少量悬挂的酸根/碱根的一类聚合物，在催化层中起着粘结剂和质子传导的重要作用。目前使用最为广泛的市售离聚物为全氟磺酸离聚体(PFSA)中DuPont公司生产的商业化系列，但PFSA也有价格高，生产过程复杂，气体传质阻力大，高温稳定性差等非常明显的缺点。科研人员一直致力于研究新型离聚物替代PFSA，但目前应用于燃料电池中的离聚物均为链状高分子，仍存在对催化剂存在过度包裹和占据铂的活性位点的问题。日本 Toyota Central RD实验室于2021年报道的HOPI离聚物可以增加溶氧度，可以将燃料电池的功率密度提高了1.04倍，但HOPI仍为链状高分子，对铂催化位点的氧气可及性并没有明显的改善。因此开发新型多孔离聚物用于质子交换膜燃料电池的催化层对提高燃料电池的功率密度和降低价格都有着非常积极的促进作用。

共价有机框架结构(Covalent Organic Frameworks,COFs)材料是一类新型的具有结晶性的有机多孔材料，该类多孔材料可以在二维或三维方向上对有机结构单元进行长程有序的排列。由于COFs可以精细地调控其孔结构、易修饰等特点使得其具有广泛的应用场景。COFs具有以下优势：(1)通过共价键将结构单元在二维或者三维方向连接拓展，可以形成丰富的孔道结构，具有良好的气体扩散能力；(2)可精确控制结构单元的构成，进而调节孔内环境，可提高离聚物的离子交换容量。引入具有离子基团的结构单元可以得到COFs离聚物，目前 COFs离聚物作为质子交换膜的备选材料而被研究，但其多孔结构易于导致气体扩散，因此是否适合作为质子交换膜材料还有待商槯，而将COFs离聚物添加到质子交换膜燃料电池的催化层以优化催化层的微结构尚未有报道。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种燃料电池催化层。

本发明的目的之二在于提供一种燃料电池。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

一种燃料电池催化层，所述催化层由电催化剂和离聚物组成。

其中电催化剂为燃料电池中常规催化剂，优选铂碳催化剂(Pt/C)、铂钴催化剂(PtCo/C)或以科琴黑为碳载体的铂碳催化剂(Pt/KB)。

所述离聚物为全氟磺酸离聚体和COFs离聚物的混合物，其中COFs离聚物与全氟磺酸离聚体的质量比为0.5：1～1.5：1；优选的COFs离聚物与全氟磺酸离聚体的质量比为1：1。优选的，所述全氟磺酸离聚体为DuPont公司生产的 Nafion。

所述COFs离聚物根据反应物种类不同，采用方法一或方法二合成。

所述方法一为溶剂热-后修饰法，具体步骤如下：