[发明专利]一种复合电极及其制备方法和应用

说明书

一种复合电极，包括石墨烯、电催化剂和Nafion，其中石墨烯的质量含量为10‑80％；电催化剂的质量含量为5‑75％；Nafion的质量含量为5‑30％；所述复合电极作为燃料电池电极时，单位体积立方厘米的电极在电池动态运行的电压波动幅度和稳态运行的电压波动幅度的差值为2‑40mV。所述复合电极具有三维大孔骨架结构；所述大孔骨架由石墨稀与Nafion聚离子构成；所述大孔骨架上附着有电催化剂。本发明所述复合电极动态响应稳定性高、催化剂利用率高、催化层中传质性能好、实用性强；相比于传统膜电极制备方法，本方法的冷冻干燥还原方法快速简单，无需反复涂覆‑干燥过程，适于大批量的制备过程。

技术领域

本发明涉及一种复合电极，具体的说是一种可用于质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池和金属空气电池的气体扩散电极。

本发明还涉及上述复合电极的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于其高效、环境友好等特点，近年来受到各国研究机构的密切关注。在质子交换膜燃料电池的评价指标中，动态稳定性(Dynamic stability)是其中的关键因素。良好的动态稳定性意味着电源系统在面临频繁或大幅度的负载变化时，电流与电压响应能够快速达到稳态值，且暂态波动幅度较小，这一性能对于动态变化显著且频繁的用电设备，例如交通工具、电子产品以及武器装备等至关重要。通常来说，燃料电池的动态稳定性取决于阴阳极的电极反应动力学速率大小。相对于锂离子电池、超级电容器等化学电源的电极过程，燃料电池中阴极氧还原反应以及阳极小分子醇类(例如甲醇)的氧化反应速率通常较低，这也导致了燃料电池系统的动态稳定性较差，一定程度上阻碍了其在更广泛的应用。针对燃料电池动态稳定性不足的缺点，目前采用较为广泛的解决方案为将其与超级电容器等动态稳定性优异的电源系统进行电路耦合，在电源外部实现用燃料电池对超级电容器充电，超级电容器快速放电实现动态稳定性的增强。但这一方案显著增加了系统复杂性，同时增加了系统体积重量以及成本，难以实现广泛的应用。

综上所述，制备开发具有高动态响应稳定性的电极对于质子交换膜燃料电池的广泛应用至关重要。

将超级电容材料与传统的燃料电池催化剂电极复合，利用其超级电容材料的电荷储存作用，实现放电变化过程中快速动态响应，是一种极为可行的解决方案。本发明基于此复合电极的思路，结合大孔骨架材料的制备手段，将具有大电容容量的石墨稀大孔骨架材料与高电化学催化活性的碳载铂基催化材料组合为复合电极，以提高燃料电池的动态稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型多孔气体扩散电极，该气体扩散电极具动态响应稳定性高的优点，可用作质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池和金属空气电池中。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种复合电极，包括石墨烯、电催化剂和Nafion，其中石墨烯的质量含量为10-80％；电催化剂的质量含量为5-75％；Nafion的质量含量为5-30％；所述复合电极作为燃料电池电极时，单体电池动态运行的电压波动幅度和稳态运行的电压波动幅度的差值为2-40mV。

所述石墨烯的质量含量优选为30-60％；电催化剂的质量含量优选为30-60％；Nafion的质量含量优选为10-20％；所述复合电极作为燃料电池电极时，单体电池动态运行的电压波动幅度和稳态运行的电压波动幅度的差值较优为2-20mV。

所述复合电极具有三维大孔骨架结构；所述大孔骨架由石墨稀与Nafion聚离子构成；所述大孔骨架上附着有电催化剂。Nafion聚离子具有极好的粘结性能，可保持大孔结构的稳定性与机械强度。

所述复合电极的大孔的孔径为3-10微米，孔隙率为50％-90％。

所述电催化剂为担载型或非担载型贵金属电催化剂；担载型贵金属电催化剂中，载体为XC-72碳粉、BP000、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氧化石墨中的一种或二种以上，贵金属的载量为10-80％。