一種高溫燃料電池用陰極催化層及其制備和膜電極的制作方法
【專利摘要】一種高溫燃料電池用膜電極，陰極催化層中除含有氧還原催化劑、粘結劑和疏水劑外，還含有磷酸和硅油。磷酸作為液體電解質在高溫條件下有助于質子的傳導，但因其溶氧性不好，將其添加到陰極催化層中不利于氧氣的傳輸；硅油是一種由聚硅氧烷組成的液體制品，它具有儲氧能力強、氧氣在其中的傳輸速度快兩個優點，因此，在制備膜電極過程中將其隨磷酸均勻的添加到陰極催化層中可以避免因氧傳質差導致的電池性能降低。
【專利說明】一種高溫燃料電池用陰極催化層及其制備和膜電極
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高溫燃料電池用陰極催化層，具體的說涉及一種用于提高高溫燃料電池陰極氧傳質的陰極催化層；
[0002]本發明還涉及上述陰極催化層的制備方法；
[0003]本發明還涉及由上述陰極催化層制備的膜電極。
【背景技術】
[0004]傳統的聚合物電解質膜型燃料電池膜電極中使用的電解質為全氟磺酸類化合物，如商品化的Nafion I旲。這類電解質價格昂貴，而且為使該電解質具有聞質子電導，電解質膜必須充分水合。該電解質在高溫或加濕不充分的條件下易發生失水并降解，使得燃料電池性能顯著下降，因而組建的相應燃料電池常壓最高工作溫度為100°c。而且電解質所需的水通過反應氣加濕供給，加濕器增加了燃料電池系統的體積，降低了整體效率。全芳結構的聚苯并咪唑是一類高性能材料，具有極高的耐熱性能、優異的力學性能、極好的化學穩定性、良好的介電性質和紡絲性能，在宇航、微電子等領域里得到了廣泛的應用。近年來，研究人員發現磷酸摻雜的聚苯并咪唑膜是一種具有優良抗氧化性和熱穩定性的聚合物電解質膜，至250°C高溫仍可保持較高質子傳導率和一定的力學強度。這類材料在新型低成本高溫聚合物電解質膜型燃料電池領域具有潛在的應用前景，因此受到廣泛關注。
[0005]在上述磷酸摻雜的聚苯并咪唑膜作為電解質膜的燃料電池中，磷酸通常會滲透到膜電極的催化層中造成氣體擴散電極中的部分孔堵塞，而磷酸又是一種溶氧性較差，同時氧氣在磷酸中傳輸速率也很小的液體，因此其在氣體擴散電極中的存在必將導致氧氣在陰極氣體擴散電極中的傳輸阻力增大進而導致電池性能下降。
[0006]中國專利200810069270.2披露了一種有序化抗溺水氣體多孔電極的制備方法，該方法將硅油滲入到傳統Pt/c氣體多孔電極的催化層和擴散層空隙中，干燥后制得有序化抗溺水氣體多孔電極。上述電極雖然能部分解決傳統質子交換膜燃料電池水淹的問題，但對于高溫燃料電池并不試用。不僅如此，由于該專利采用真空抽濾的方法制得，該制備方法一方面容易導致電極破損，另一方面也因滲透不均導致電池性能提高不明顯。
[0007]中國專利201010567204.5披露了用于質子交換膜燃料電池的陰極擴散層及其制備和應用。該擴散層中添加氧化鈰等儲氧材料提高氧氣在陰極的傳質能力，但由于氧化鈰不溶于磷酸，因此上述方法也解決不了高溫燃料電池存在的氧傳質能力差的問題。
【發明內容】
[0008]本專利針對上述問題，在陰極催化層制備中，引入可以提高氧傳質速率同時溶氧性能好的硅油，以期降低電池陰極傳質極化，提高電池性能。
[0009]為實現上述目的，本發明采用以下具體方案來實現:
[0010]一種高溫燃料電池用陰極催化層，陰極催化層中含有氧還原催化劑、粘結劑、疏水齊U、硅油和磷酸；[0011]所述硅油的分子式為:
[0012]
【權利要求】
1.一種高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:陰極催化層中含有氧還原催化劑、粘結劑、疏水劑、硅油和磷酸；所述硅油的分子式為:
2.如權利要求1所述高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:所述硅油為甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氣硅油、甲基苯基硅油、甲基氣苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羥基硅油、乙基含氫硅油、羥基含氫硅油、含氰硅油中一種或兩種以上的混合物。
3.如權利要求1所述高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:所述陰極氧還原催化劑為 Pt/C、Pt 黑、PtRu 黑、PtRu/C、PtSn/C、PtMo/C、PtFe, PtCo, PtN1、PtPcU PtAu, PtiPd/C、PtiPdlr/C, PdCoiPd/C, PtFe/C、PtCo/C、PtNi/C、PtPd/C、FeTMPP, WC、Fe/N-C、Co/N-C、Ni/N-C、MnOx/M、PdFe、PdCo、PdN1、PdMo, Pdff, PdRe、PdAu、PdCu、Ni Zr、N-C 中的一種或二種以上；
所述陰極催化層中催化劑載量為0.2-6mg.cm—2。
4.如權利要求1所述高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:所述氧還原催化劑與粘結劑的質量比為100:1-5:1 ;所述氧還原催化劑與疏水劑的質量比為100:1-10:1 ;所述硅油與氧還原催化劑的質量比為1:10-1:1 ;所述硅油與磷酸的質量比為1:5-1:850。
5.如權利要求1所述高溫燃料電池用陰極催化層，其特征在于:所述粘結劑為PB1、PTFE, PFA、ETFE, Naf ion、PVDF, PVF中的一種或兩種以上；所述疏水劑為PTFE或PVDF。
6.一種權利要求1-5任一所述高溫燃料電池用陰極催化層的制備方法，其特征在于:陰極催化層的制備包括以下步驟， (1)陰極催化劑漿液的配制: a.于每100克50wt.% -85wt.%的磷酸溶液中加入0.1_10克硅油，混合均勻后得溶有硅油的0.lwt.% -1Owt.%硅油磷酸溶液； b.稱取氧還原催化劑，用去離子水潤濕后，加入粘結劑，其中氧還原催化劑和粘結劑的質量比為100:1-5:1，再加入疏水劑，氧還原催化劑與疏水劑的質量比為100:1-10:1，最后加入與催化劑質量比為50:1-10:1的溶劑，超聲混合均勻后得催化劑前漿液； 所述溶劑為聚甲基丙烯酸胺(DMAc)，或聚甲基吡珞烷酮(NMP)，或聚甲基丙烯酸胺(DMAc)和聚甲基吡珞烷酮(NMP)的混合物； c.于步驟(I)b所得催化劑前漿液中，緩慢加入上述步驟(I )a所得溶有硅油的磷酸溶液，其中硅油與氧還原催化劑的質量比為1:10-1:1，混合均勻后得催化劑漿液； (2)陰極催化層的制備: 將上述催化劑漿液制備于高溫電解質膜一側表面或陰極氣體擴散層表面，至陰極氧還原催化劑擔載量為0.2-6mg.cnT2，真空干燥后得CCM結構的陰極催化層或GDE結構的陰極催化層； 或者將催化劑漿液制備于PTFE薄膜表面，至氧還原催化劑擔載量為0.2-6mg.cm_2，真空干燥后采用轉壓的方法將陰極催化層制備于高溫電解質膜一側表面，得轉壓法制備的陰極催化層； 真空干燥條件為120-200°C，干燥時間為l-10h。
7.—種高溫燃料電池用膜電極，其特征在于:膜電極包括陽極催化層、耐高溫電解質膜和權利要求1- 5所述陰極催化層。
【文檔編號】H01M4/90GK103887525SQ201210563370
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月21日 優先權日:2012年12月21日
【發明者】孫公權, 景粉寧, 楊林林, 王素力 申請人:中國科學院大連化學物理研究所