[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法，属于膜电极制备领域，该方法将水、Nation溶液、氟化多壁碳纳米管添加剂、Pt/C催化剂和异丙醇混合后进行超声处理，得到阴极催化层浆料；另将水、Nafion溶液、Pt/C催化剂和异丙醇混合后进行超声处理，得到阳极催化层浆料；S2、通过超声喷涂，将所述阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料分别喷涂在质子交换膜的两侧，得到膜电极。通过本发明制备的膜电极，其阴极催化层离聚物的组装形态得到了调整，催化层的孔隙率得到了优化，增强了催化层的抗水淹性能，增大了氧气对铂位点的可及性，提高了铂基催化剂的利用率。

技术领域

本发明属于膜电极制备技术领域，尤其涉及一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是氢能系统中的关键技术之一。质子交换膜燃料电池大规模应用中，最大挑战之一是对膜电极中催化剂贵金属铂的高需求及因此带来的高昂成本。实现PEMFC动力车辆的大规模商业化，必须降低铂的用量，提高铂的利用率。相较于寻找具有高比活性的铂基催化剂，通过对催化剂层(CL)的结构和性质进行优化来提高Pt利用率，这显然是更为实用的方法之一。

在PEMFC阴极催化层中，氧还原反应在氧气、催化剂活性位点(如铂原子Pt)和离聚物的磺酸基团组成的三相界面处进行。离聚物相作为碳/催化剂颗粒的粘合剂，为质子传输提供了途径。覆盖催化剂颗粒的离聚物薄膜可能对氧气产生很大的传输阻力，从而降低其对催化剂活性位点的可及性。商用的全氟磺酸(PFSA)离聚物中的磺酸基团可以强烈吸附在Pt表面，从而毒化活性位点，因此应努力降低离聚物的覆盖度。然而，催化层中有效三相界面的形成又依赖于催化剂与离聚物的紧密接触。因此，调节离聚物的分布使这些因素之间实现平衡，对提高铂的可及率和利用率具有重要意义。Gasteiger等人将碳载体进行氨化，利用离聚物和-NH_x⁺基团之间的离子相互作用来实现离聚物更均匀的分布，这将促使氧气和质子传输之间的微妙平衡(J Electrochem Soc，2017，164(4)：F418-F26)。Strasser等人在高温下采用氨解的方法，将sp²吡啶N基团引入碳基体，这也可以与离聚物链发生有益的相互作用(Nat Mater，2020，19(1)：77-85)。

另外，膜电极运行时在阳极催化剂层发生氢氧化反应，产生的质子以水合质子(H₃O⁺)的形式穿过质子交换膜(PEM，Proton exchange membrane)，因此，阳极侧的部分水会不断地随质子跨膜传输到阴极侧，这个过程称为电拖曳(Electro-osmotic drag，EOD)。阴极发生氧还原反应，与来自阳极的质子结合生成水。电拖曳效应带来的阳极水加上阴极反应产物水导致阴极水量过多，易引发水淹。水淹大大增加了氧气在阴极催化层的传输阻力，影响有效三相界面的形成，客观上降低了铂基催化剂的利用率。对催化层阴极催化层进行疏水改性，是缓解阴极水淹的有效手段。Avcioglu等人通过向阴极催化层加入聚四氟乙烯增强其疏水性(Int J Hydrog Energy，2018，43(40)：18632-41)；Dowd等人通过特定条件下的热处理在催化剂层上获得疏水离聚物界面(J Appl Electrochem，2020，50(10)：993-1006)；Xue等人向催化层中加入笼型聚倍半硅氧烷来对阴极催化层进行疏水改性(J PowerSources，2021，487：10)。然而，这些阴极催化层疏水改性技术仍不利于膜电极在不同湿度情况下的性能改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出了一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法，通过本发明制备的膜电极，其具有调整的阴极催化层离聚物的组装形态，可优化催化层的孔隙率，增强催化层的抗水淹性能，增大氧气对铂位点的可及性，提高铂基催化剂的利用率和性能表达，从而实现膜电极对湿度变化更强的适应性，利于实际应用。

本发明提供一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极的制备方法，包括以下步骤：