CN109103472B - 一种高氧传输燃料电池催化层及膜电极组件与燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高氧传输燃料电池催化层及膜电极组件与燃料电池。该高氧传输燃料电池催化层包括碳负载的Pt颗粒和Pt颗粒表面的聚合物薄膜，该聚合物薄膜是全氟磺酸树脂与阳离子聚合物结合的膜。该膜电极组件包括催化剂涂覆膜，该催化剂涂覆膜包括质子交换膜及质子交换膜两侧的阴阳极催化层，其中阴极催化层为所述的高氧传输燃料电池催化层。该催化层的制备方法相对简单，且具有较好的氧传输能力，对于低铂膜电极在高电流密度下具有优异的性能。

Description

一种高氧传输燃料电池催化层及膜电极组件与燃料电池
技术领域
本发明涉及一种高氧传输燃料电池催化层及膜电极组件与燃料电池，属于燃料电池技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因能量转换效率高、环境污染小等优点被认为是比较理想的新能源技术，因而受到各国政府和研究领域的广泛关注。目前燃料电池常用的催化剂为Pt，然而Pt资源的储备量非常有限导致其价格昂贵，这是限制燃料电池商业化的关键问题之一。其中降低Pt在燃料电池中的用量是解决该问题的有效途径。
催化层中添加全氟磺酸树脂在传递质子方面起到重要作用，然而研究表面全氟磺酸树脂中的磺酸根会吸附到Pt表面，催化层中全氟磺酸树脂的磺酸根与Pt之间存在强结合力，导致全氟磺酸树脂的自由度降低，在Pt表面形成一种致密的薄膜(ionomer film)，如图1所示。当催化层中Pt载量较高时，全氟磺酸树脂薄膜对氧气传输影响较小；当Pt载量小于0.1mg/cm2时，薄膜对氧气的传输阻力尤其明显。这是因为当降低催化层中Pt载量时，需要到达每个Pt颗粒表面的氧分子数目增多，而氧传输是速控步，因此改善氧气在全氟磺酸树脂薄膜上的传输是实现低Pt载量膜电极的关键。
提高氧气在全氟磺酸树脂薄膜上的传输途径有：(1)降低磺酸根的浓度；(2)用较弱吸附性的官能团取代磺酸根；(3)修饰全氟磺酸树脂主链来减弱薄膜在Pt表面吸附的致密性。目前有关优化催化层中全氟磺酸树脂薄膜的研究较少，其中H.A.Gasteiger等人[J.Electrochem.Soc.,164(2017)F418-F426]通过对碳载体表面官能化处理，首先是将碳载体与70％的HNO3溶液混合，70℃油浴30min，然后水洗至中性，80℃真空箱中干燥12h，最后将样品置于管式炉中纯NH3氛围中200℃煅烧4h，得到的样品作为催化剂载体。虽然制备的催化剂具有优化低Pt膜电极氧传输的效果，但制备过程相对繁琐，不适合燃料电池商业化应用。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供一种高氧传输燃料电池催化层及膜电极组件与燃料电池，该催化层通过优化催化剂表面的全氟磺酸树脂薄膜降低其致密性，可解决燃料电池在低Pt膜电极尤其是高电流密度下的氧传输问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高氧传输燃料电池催化层，所述高氧传输燃料电池催化层包括碳负载的Pt颗粒和Pt颗粒表面的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜是全氟磺酸树脂与阳离子聚合物结合的膜。
上述方案中，所述阳离子聚合物为季铵盐聚合物或季磷盐聚合物。
上述方案中，所述阳离子聚合物中的正离子与全氟磺酸树脂中磺酸根的摩尔比为1:30-90。
上述方案中，所述季铵盐聚合物为聚二烯丙基二甲基氯化铵。
上述方案中，所述季磷盐聚合物为聚烯丙基三苯基溴化磷。
所述的高氧传输燃料电池催化层的制备方法，包括以下步骤：
1)配制阳离子聚合物与全氟磺酸树脂的混合溶液，其中阳离子聚合物中的正离子与全氟磺酸树脂中磺酸根的摩尔比为1:30-90；
2)将Pt/C催化剂置于容器中，向其中依次加入水、醇以及步骤1)得到的阳离子聚合物与全氟磺酸树脂的混合溶液，超声、搅拌后得到分散均匀的催化剂料浆；
3)将催化剂料浆涂到聚四氟乙烯薄膜上，干燥，即在所述聚四氟乙烯薄膜的表面形成高氧传输燃料电池催化层。
上述方案中，所述阳离子聚合物与全氟磺酸树脂的混合溶液的配制方法是：首先将阳离子聚合物用水稀释，然后向全氟磺酸溶液中逐滴加入稀释后的聚合物并不断搅拌，即可得到聚合物与全氟磺酸树脂的均匀混合液。
一种膜电极组件，所述膜电极组件包括催化剂涂覆膜，所述催化剂涂覆膜包括质子交换膜及质子交换膜两侧的阴阳极催化层，所述阴极催化层为所述的高氧传输燃料电池催化层。
一种燃料电池，所述燃料电池包括所述的膜电极组件。
可以理解的是，本发明中的季铵盐聚合物不限于聚二烯丙基二甲基氯化铵，季磷盐聚合物也不限于聚烯丙基三苯基溴化磷，主要利用的是季铵盐的正电荷与全氟磺酸树脂中的磺酸根存在静电作用力，利用聚合物的位阻效应降低全氟磺酸树脂薄膜在Pt催化剂表面的致密性，进而降低氧气传输阻力，如图2所示，有利于提高氧气在催化层中的传输。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过向催化层中掺入一种阳离子聚合物，带正电的聚合物与全氟磺酸树脂中的磺酸根存在静电作用力，利用聚合物的位阻效应降低全氟磺酸树脂薄膜在Pt表面的致密性，提高氧气在全氟磺酸树脂薄膜中的传输能力。
(2)本发明提供的高氧传输燃料电池催化层制备方法相对简单，可明显提高低铂膜电极在高电流密度下的性能，有利于实现燃料电池商业化应用。
附图说明
图1为现有技术中的氧在全氟磺酸树脂薄膜中的传输示意图。
图2为本发明中的阳离子聚合物掺杂催化层氧传输示意图。
图3为本发明提供的催化剂涂覆膜的结构示意图。
图4为本发明提供的燃料电池的结构示意图。
图5为标准膜电极与本发明的高氧传输催化层膜电极的极化曲线。
图6为标准膜电极与本发明的高氧传输催化层膜电极在70℃不同压力下的氧传输阻力比较图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种高氧传输燃料电池催化层，该高氧传输燃料电池催化层包括碳负载的Pt颗粒和Pt颗粒表面的聚合物薄膜，该聚合物薄膜是全氟磺酸树脂与阳离子聚合物结合的膜(如图2中的(2)所示)。图2中的(1)表示的是无阳离子聚合物时。
本实施例还提供该高氧传输燃料电池催化层的制备方法，包括以下步骤：
1)配制阳离子聚合物聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)溶液与全氟磺酸树脂的混合溶液，其中阳离子聚合物中的正离子与全氟磺酸树脂中磺酸根的摩尔比为1:30；
上述混合溶液的具体配置方法为：按照质量比PDDA溶液：水：全氟磺酸树脂溶液＝1:174:739配制混合溶液。首先用水稀释PDDA溶液，然后向全氟磺酸树脂溶液中逐滴加入稀释后的PDDA溶液并不断搅拌，即得到混合溶液；其中PDDA溶液为质量浓度为35％的PDDA水溶液；全氟磺酸树脂溶液的固含量为6.6％，溶剂为水和醇的混合。
2)向0.5g28.9％的Pt/C催化剂中依次加入水2.0g、异丙醇0.75g和步骤1)中的混合溶液4.0g，超声分散5min后高速搅拌30min，使料浆混合均匀；此处28.9％表示Pt所占催化剂总量的质量百分比；
3)将混合均匀的催化剂料浆涂到聚四氟乙烯薄膜上，控制Pt载量为0.07mg/cm2，80℃烘干，即在所述聚四氟乙烯薄膜的表面形成高氧传输燃料电池催化层。
如图4所示，本实施例还提供一种膜电极组件，其包括催化剂涂覆膜4及设置于两侧的碳纸2和碳纸6。催化剂涂覆膜(如图3所示)包括质子交换膜9及分别设置于质子交换膜9上表面和下表面的阳极催化层8和阴极催化层10，阴极催化层10为本实施例所制备的高氧传输燃料电池催化层。该膜电极组件的制备为：阳极Pt载量为0.1mg/cm2，阴极Pt载量为0.07mg/cm2，活性面积为50×50mm和10×20mm，将阴阳极催化层在150℃、1.5MPa条件下热压到质子交换膜上，时间控制150s，阴阳极碳纸均采用JNT20A3。
单电池性能测试：将50×50mm膜电极组件组装到单电池夹具上进行测试，采用平行槽道的石墨板为集流板，端板为镀金不锈钢板。测试条件为：电池温度为80℃、阴阳极背压均为100kPa和阴阳极均采用100％加湿。如图3所示，在电流密度1.6A/cm2下，不同PDDA掺杂量的膜电极电位分别为0.51V、0.53V和0.55V，而标准膜电极的电压为0.45V(如图5所示)，高氧传输催化层膜电极明显高于标准膜电极，且这种趋势在高电流密度下表现更为突出。
单电池极限电流测试：将10×20mm膜电极组件组装到单电池夹具上进行测试，氧浓度采用0.5％、1.0％、1.5％和2.0％，分别测试40℃、50℃、60℃和70℃在150kPa、200kPa、250kPa和300kPa下的极限电流。高氧传输催化层膜电极的氧传输阻力在不同压力下均小于标准膜电极，如图6所示。
如图4所示，本实施例还提供一种燃料电池，所述燃料电池依次包括阳极流场板1、碳纸2、边框3、催化剂涂覆膜4、边框5、碳纸6及阴极流场板7。
实施例2
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于阳离子聚合物中的正离子与全氟磺酸树脂中磺酸根的摩尔比为1:60。测试结果如图5和图6所示。
实施例3
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于阳离子聚合物中的正离子与全氟磺酸树脂中磺酸根的摩尔比为1:90。测试结果如图5和图6所示。
实施例4
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于该高氧传输燃料电池催化层的制备方法的步骤1)为：
1)配制聚二烯丙基二乙基氯化铵与全氟磺酸树脂的混合溶液：其中聚二烯丙基二乙基氯化铵正离子与全氟磺酸树脂中磺酸根的摩尔比为1:30；
上述混合溶液的具体配置方法为：按照质量比聚二烯丙基二乙基氯化铵：水：全氟磺酸树脂溶液＝1:407:1729配制混合溶液。首先用水稀释聚二烯丙基二乙基氯化铵，然后向全氟磺酸树脂溶液中逐滴加入稀释后的聚二烯丙基二乙基氯化铵溶液并不断搅拌。测试结果与实施例1类似。
实施例5
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于该高氧传输燃料电池催化层的制备方法的步骤1)为：
(1)配制聚烯丙基三苯基溴化磷与全氟磺酸树脂的混合溶液：其中聚烯丙基三苯基溴化磷正离子与全氟磺酸树脂中磺酸根的摩尔比为1:30；
上述混合溶液的具体配置方法为：按照质量比聚烯丙基三苯基溴化磷：水：全氟磺酸树脂溶液＝1:201:853配制混合溶液，首先用水稀释聚烯丙基三苯基溴化磷溶液，然后向全氟磺酸树脂溶液中逐滴加入稀释后的聚烯丙基三苯基溴化磷溶液并不断搅拌。测试结果与实施例1类似。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高氧传输燃料电池催化层，其特征在于，所述高氧传输燃料电池催化层包括碳负载的Pt颗粒和Pt颗粒表面的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜是全氟磺酸树脂与阳离子聚合物结合的膜，所述阳离子聚合物为季铵盐聚合物或季磷盐聚合物,所述高氧传输燃料电池催化层可由如下方法制备：
1)配制阳离子聚合物与全氟磺酸树脂的混合溶液，其中阳离子聚合物中的正离子与全氟磺酸树脂中磺酸根的摩尔比为1:30-90；
2)将Pt/C催化剂置于容器中，向其中依次加入水、醇以及步骤1)得到的阳离子聚合物与全氟磺酸树脂的混合溶液，超声、搅拌后得到分散均匀的催化剂料浆；
3)将催化剂料浆涂到聚四氟乙烯薄膜上，干燥，即在所述聚四氟乙烯薄膜的表面形成高氧传输燃料电池催化层。
2.如权利要求1所述的高氧传输燃料电池催化层，其特征在于，所述季铵盐聚合物为聚二烯丙基二甲基氯化铵。
3.如权利要求1所述的高氧传输燃料电池催化层，其特征在于，所述季磷盐聚合物为聚烯丙基三苯基溴化磷。
4.如权利要求1所述的高氧传输燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配制阳离子聚合物与全氟磺酸树脂的混合溶液，其中阳离子聚合物中的正离子与全氟磺酸树脂中磺酸根的摩尔比为1:30-90；
2)将Pt/C催化剂置于容器中，向其中依次加入水、醇以及步骤1)得到的阳离子聚合物与全氟磺酸树脂的混合溶液，超声、搅拌后得到分散均匀的催化剂料浆；
3)将催化剂料浆涂到聚四氟乙烯薄膜上，干燥，即在所述聚四氟乙烯薄膜的表面形成高氧传输燃料电池催化层。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述阳离子聚合物与全氟磺酸树脂的混合溶液的配制方法是：首先将阳离子聚合物用水稀释，然后向全氟磺酸溶液中逐滴加入稀释后的聚合物并不断搅拌，即可得到聚合物与全氟磺酸树脂的均匀混合液。
6.一种膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件包括催化剂涂覆膜，所述催化剂涂覆膜包括质子交换膜及质子交换膜两侧的阴阳极催化层，所述阴极催化层为权利要求1至3任一项所述的高氧传输燃料电池催化层。
7.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括如权利要求6述的膜电极组件。
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