CN114388817B - 一种碱性燃料电池及其电极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碱性燃料电池及其电极结构，所述电极结构包括阳极催化层、阴离子交换膜、阴极催化层，其中，所述阳极催化层包括疏水材料，所述阴极催化层包括靠近所述阴离子交换膜侧的疏水催化层和远离所述阴离子交换膜侧的亲水催化层。本发明的电极结构，减弱了阳极的水淹现象，提高了阳极催化利用率，同时提高了阴极的含水量，避免了阴极过干现象，从而降低了阴极催化层中的离子传递阻力，并能够提供足够的水进行反应。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种碱性燃料电池及其电极结构。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种可以将储存在燃料和氧气中的化学能直接转化为电能的电化学储能装置，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为阳极，用空气中的氧作为阴极。和一般电池的主要区别在于一般电池的活性物质是预先放在电池内部的，因而电池容量取决于贮存的活性物质的量；而燃料电池的活性物质(燃料和氧化剂)是在反应的同时源源不断地输入的，因此，这类电池实际上只是一个能量转换装置。
在众多类型的燃料电池中，碱性氢燃料电池由于高pH的操作条件使得其拥有使用廉价组分材料的可能，进而从整体上降低成本。然而，在碱性氢燃料电池体系中，水在阳极生成而在阴极被消耗。在阴极中，水作为一种反应物，水的不足会造成反应物传导阻力的上升，另外阴极催化层由于缺水也会造成离子传导阻力的增加。在阳极中，由于大量的水生成，会堵塞孔径，造成氢气传导阻力的上升。这些电极内部阻力的上升均会造成严重的电池性能损失。
发明内容
本发明解决的问题是如何对碱性燃料电池进行水管理，以降低电池电极结构内部的传导阻力。
为解决上述问题，本发明提供一种碱性燃料电池用电极结构，包括：阳极催化层、阴离子交换膜、阴极催化层，其中，所述阳极催化层包括疏水材料，所述阴极催化层包括靠近所述阴离子交换膜侧的疏水催化层和远离所述阴离子交换膜侧的亲水催化层。
较佳地，所述疏水催化层的孔径大于所述亲水催化层的孔径。
较佳地，所述疏水催化层的孔径大于50nm，所述亲水催化层的孔径小于10nm。
较佳地，所述疏水催化层包括表面疏水催化剂和粘连剂，所述粘连剂包括离子交换树脂或具有粘连功能的聚合物。
较佳地，所述粘连剂的含量为3-8wt％，所述表面疏水催化剂的含量为0.05-0.15mg/cm2。
较佳地，所述表面疏水催化剂包括以石墨化碳为载体的贵金属催化剂，且所述贵金属的质量分数不高于30％。
较佳地，所述粘连剂包括全氟磺酸树脂、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。
较佳地，所述亲水催化层包括非贵金属催化剂和离子交换树脂，所述离子交换树脂的含量为8-15wt％，所述非贵金属催化剂的含量为0.5-0.8mg/cm2。
较佳地，所述阳极催化层包括疏水材料，所述疏水材料的添加量为按体积比5-10％添加。
本发明的碱性燃料电池用电极结构相较于现有技术的优势在于：
本发明通过在阳极催化层中添加疏水材料，从而提高阳极中水的排出效果，减弱阳极的水淹现象，提高了阳极催化利用率。本发明的阴极催化层中，由靠近膜侧至远离膜侧，依次分布有疏水催化层和亲水催化层，其中，疏水催化层中的孔径为疏水孔径，亲水催化层中的孔径为亲水孔径，由于亲水催化层和疏水催化层中的孔径表面亲疏水性的不同，因此会造成毛细压力差，从而引导水从疏水催化层流向亲水催化层，而远离膜侧的亲水催化层由于孔径呈现亲水性，因此亲水催化层不易因毛细力差造成水溢出，进而进入阴极气流造成丢失水分。因此，本发明的阴极催化层结构提高了阴极的含水量，避免了阴极过干现象，从而降低了阴极催化层中的离子传递阻力，并能够提供足够的水进行反应。
本发明还提供一种碱性燃料电池，包括如上所述的碱性燃料电池用电极结构。
本发明的碱性燃料电池相较于现有技术的优势与碱性燃料电池用电极结构相较于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例中碱性燃料电池用电极结构的结构示意图；
图2为本发明实施例1中碱性燃料电池用电极结构的极化曲线和高频阻值测试结果；
图3为本发明实施例2中碱性燃料电池用电极结构的极化曲线和高频阻值测试结果；
图4为本发明实施例3中碱性燃料电池用电极结构的极化曲线和高频阻值测试结果。
附图标记说明：
1-阴离子交换膜；2-阳极催化层；21-阳极催化剂；22-疏水材料；3-阴极催化层；31-疏水催化层；32-亲水催化层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
请参阅图1所示，本发明实施例的一种碱性燃料电池用电极结构，包括：阳极催化层2、阴离子交换膜1(下文也称为膜、交换膜或离子交换膜)、阴极催化层3，其中，所述阳极催化层2包括疏水材料22，所述阴极催化层3包括靠近所述阴离子交换膜1侧的疏水催化层31和远离所述阴离子交换膜1侧的亲水催化层32。
本实施例的电极结构，阳极催化层2中添加了疏水材料22，从而提高水的排出效果。阴极催化层3中，由靠近膜侧至远离膜侧，依次分布有疏水催化层31和亲水催化层32，疏水催化层31中的孔径为疏水孔径，亲水催化层32中的孔径为亲水孔径，由于亲水催化层32和疏水催化层31中的孔径表面亲疏水性的不同，因此会造成毛细压力差，从而引导水从疏水催化层31流向亲水催化层32，而远离膜侧的亲水催化层32由于孔径呈现亲水性，因此亲水催化层32不易因毛细力差造成水溢出，进而进入阴极气流造成丢失水分。
因此，本实施例的电极结构，减弱了阳极的水淹现象，提高了阳极催化利用率，同时提高了阴极的含水量，避免了阴极过干现象，从而降低了阴极催化层3中的离子传递阻力，并能够提供足够的水进行反应。
其中一些实施方式中，阴极催化层3中，所述疏水催化层31的孔径大于所述亲水催化层32的孔径。
在碱性燃料电池的阴极催化结构中，在靠近膜的一侧，由于需要尽量避免水在靠近膜的一侧聚集，因此电极结构设计应注重水延垂直于膜侧的方向向外(所谓外是指远离膜的方向)扩散，从而避免高电流时靠近膜侧的电极的水淹，因此在靠近阴离子交换膜1一侧的催化剂除了选择表面疏水材料22催化剂，同时还要拥有足够的较大微孔径，以快速排水。而在远离膜的一侧，应避免水流失，因此远离膜一侧的催化层除了选择亲水性催化剂外，还还需要丰富的较小微孔径，以抑制水跟随阴极气体被排出，因此，本实施例设计阴极催化层3中疏水催化层31的孔径大于亲水催化层32的孔径。
优选地，所述疏水催化层31的孔径大于50nm，所述亲水催化层32的孔径小于10nm。
其中一些实施方式中，所述疏水催化层31包括表面疏水催化剂和粘连剂。其中，表面疏水催化剂包括以石墨化碳为载体的贵金属催化剂，所述石墨化碳载体是指高度石墨化的碳载体，贵金属包括Pd(钯)、Ag(银)、Pt(铂)、Ru(钌)等，贵金属以质量分数不高于30％的载量负载在石墨化碳载体上。示例性地，表面疏水催化剂包括Pt/C、Ag/C等。本实施例中，由于石墨化碳表面缺少极性基团，因此在石墨化碳上负载有贵金属的催化剂的表面呈现疏水性质，由其所形成的催化层的孔径为疏水孔径。
其中，粘连剂包括离子交换树脂或具有粘连功能的聚合物，示例性地，离子交换树脂包括全氟磺酸树脂，具有粘连功能的聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)。由于粘连剂会部分阻碍水从膜到电极的传递，因此，靠近膜侧的催化层应尽量添加较少的粘连剂，优选地，粘连剂的含量为3-8wt％，表面疏水催化剂的含量为0.05-0.15mg/cm2。
其中一些实施方式中，所述亲水催化层32包括非贵金属催化剂和离子交换树脂，其中，亲水催化层32中的离子交换树脂的含量为8-15wt％，优选为10wt％，非贵金属催化剂的含量为0.5-0.8mg/cm2。非贵金属催化剂包括Fe/N/C、Co/N/C、Mn/N/C等。由于非贵金属催化剂表面含有丰富的极性基团，因此非贵金属催化剂表面呈亲水特性，由其所形成的催化层为亲水催化层32，催化层的孔径为亲水孔径。
其中一些实施方式中，阳极催化层2包括阳极催化剂21、离子交换树脂和疏水材料22，其中，阳极催化剂21包括PtRu/C等常规阳极用催化剂，疏水材料22包括PTFE粉末，可选地，疏水材料22的添加量为按体积比5-10％添加，离子交换树脂的含量为15-20wt％。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实例1
本实例的碱性燃料电池用电极结构包括阳极催化层2、阴离子交换膜1和阴极催化层3；
其中，所述阳极催化层2为PtRu/C、20wt％离子交换树脂和5wt％PTFE粉末；
其中，所述阴极催化层3由靠近膜侧的疏水催化层31和远离膜侧的亲水催化层32构成，疏水催化层31为0.1mg/cm2 Pt/C和5wt％离子交换树脂，亲水催化层32为0.5mg/cm2Fe/N/C催化剂和10wt％离子交换树脂。
本实例的电极结构的极化曲线和高频阻值如图2所示，为了便于对比，采用传统商用催化剂作为对比例，其极化曲线和高频阻值结果一同绘制在图2中。其中，传统商用催化剂的阴极为0.5mg/cm2 Pt/C和20wt％离子交换树脂，阳极为0.5mg/cm2 PtRu/C和20wt％离子交换树脂。
需要说明的是，本实例的电极结构和传统电极中所用催化剂和离子交换树脂具体为：Pt/C催化剂来自TANAKA公司、型号为TEC10V40E，成分主要是由质量占比40％的铂纳米颗粒和质量占比60％的碳载体(XC72)组成；PtRu/C催化剂来自TANAKA公司、型号为TEC66E50，成分包括质量占比50％的铂钌合金和高表面积碳载体；Fe/N/C催化剂来自PAJARITO POWDER公司、型号为PMF-011904，主要成分为铁碳氮复合物；离子交换树脂为来自Dupont公司的全氟磺酸树脂(Nafion)。
图2中横坐标表示电流密度，主纵坐标表示电池电压，次纵坐标表示高频阻值，空心箭头代表两条空心曲线的纵坐标对应次纵坐标，实心箭头代表两条实心曲线的纵坐标对应主纵坐标。由图2可以得出，实例1中所述的复合催化剂结构在负载更少量贵金属催化剂的情况下，在相同电池电压下拥有更大的电流。说明实例1中所述复合催化剂电极结构拥有更高的催化剂利用效率，避免了阳极水淹和阴极过干的现象。
实例2
本实例的碱性燃料电池用电极结构包括阳极催化层2、阴离子交换膜1和阴极催化层3；
其中，所述阳极催化层2为PtRu/C、15wt％离子交换树脂和10wt％PTFE粉末；
其中，所述阴极催化层3由靠近膜侧的疏水催化层31和远离膜侧的亲水催化层32构成，疏水催化层31为0.05mg/cm2Pt/C和8wt％离子交换树脂，亲水催化层32为0.8mg/cm2Fe/N/C催化剂和8wt％离子交换树脂。
本实例的电极结构的极化曲线和高频阻值如图3所示，为了便于对比，采用传统商用催化剂(与实例1相同)作为对比例，其极化曲线和高频阻值结果一同绘制在图3中。
与传统商用催化剂相比，本实例电极结构负载更少量的贵金属催化剂，但根据图3可以看出，在相同电池电压下本实例的电极结构拥有更大的电流。说明实例2的催化剂电极结构拥有更高的催化剂利用效率，避免了阳极水淹和阴极过干的现象。
实例3
本实例的碱性燃料电池用电极结构包括阳极催化层2、阴离子交换膜1和阴极催化层3；
其中，所述阳极催化层2为PtRu/C、18wt％离子交换树脂和8wt％PTFE粉末；
其中，所述阴极催化层3由靠近膜侧的疏水催化层31和远离膜侧的亲水催化层32构成，疏水催化层31为0.15mg/cm2Pt/C和3wt％离子交换树脂，亲水催化层32为0.6mg/cm2Fe/N/C催化剂和15wt％离子交换树脂。
本实例的电极结构的极化曲线和高频阻值如图4所示，为了便于对比，采用传统商用催化剂(与实例1相同)作为对比例，其极化曲线和高频阻值结果一同绘制在图4中。
与传统商用催化剂相比，本实例电极结构负载更少量的贵金属催化剂，但根据图4可以看出，在相同电池电压下本实例的电极结构拥有更大的电流。说明实例3的催化剂电极结构拥有更高的催化剂利用效率，避免了阳极水淹和阴极过干的现象。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种碱性燃料电池用电极结构，其特征在于，包括：阳极催化层(2)、阴离子交换膜(1)、阴极催化层(3)，其中，所述阳极催化层(2)包括疏水材料，所述阴极催化层(3)包括靠近所述阴离子交换膜(1)侧的疏水催化层(31)和远离所述阴离子交换膜(1)侧的亲水催化层(32)，所述疏水催化层(31)的孔径大于所述亲水催化层(32)的孔径，所述疏水催化层(31)包括表面疏水催化剂，所述表面疏水催化剂包括以石墨化碳为载体的贵金属催化剂，且所述贵金属的质量分数不高于30％，所述亲水催化层(32)包括非贵金属催化剂，所述非贵金属催化剂包括Fe/N/C、Co/N/C、Mn/N/C。
2.根据权利要求1所述的碱性燃料电池用电极结构，其特征在于，所述疏水催化层(31)的孔径大于50nm，所述亲水催化层(32)的孔径小于10nm。
3.根据权利要求1所述的碱性燃料电池用电极结构，其特征在于，所述疏水催化层(31)还包括粘连剂，所述粘连剂包括离子交换树脂或具有粘连功能的聚合物。
4.根据权利要求3所述的碱性燃料电池用电极结构，其特征在于，所述粘连剂的含量为3-8wt％，所述表面疏水催化剂的含量为0.05-0.15mg/cm2。
5.根据权利要求3所述的碱性燃料电池用电极结构，其特征在于，所述粘连剂包括全氟磺酸树脂、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的碱性燃料电池用电极结构，其特征在于，所述亲水催化层(32)还包括离子交换树脂，所述离子交换树脂的含量为8-15wt％，所述非贵金属催化剂的含量为0.5-0.8mg/cm2。
7.根据权利要求1-6任一项所述的碱性燃料电池用电极结构，其特征在于，所述阳极催化层(2)包括疏水材料(22)，所述疏水材料(22)的添加量为按体积比5-10％添加。
8.一种碱性燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的碱性燃料电池用电极结构。
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