[发明专利]一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法

说明书

本发明提供了一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法，包括以下步骤：第一步，制备高温燃料电池用膜电极，在催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH₂PO₄作为催化层中的质子导体；第二步，利用制备成功的高温燃料电池用膜电极制成单电池；第三步，将单电池装入燃料电池性能测试系统中进行测试；本发明在高温膜燃料电池催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH₂PO₄来代替H₃PO₄，增强了催化层的质子传导率，并且改善了在H₃PO₄作为催化层质子导体的情况下导致的催化剂失活、氧还原反应速率慢等问题，进而提高了燃料电池整体的性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，它不受卡诺循环限制，具有较高的转化率，以其能量密度高、低污染等优点成为未来理想的动力能源。其中聚电解质膜燃料电池（PEMFC）具有高效、节能、环保等优点，被认为在航空航天、交通运输、电子产品等领域具有广阔的应用前景。然而实际应用时却面临着燃料需要重整净化、水热管理困难、结构复杂和成本高昂等问题。

提高运行温度被认为是解决目前聚电解质膜燃料电池面临主要问题的理想途径。与传统的低温膜燃料电池（LT-PEMFC）相比，高温膜燃料电池（HT-PEMFC）运行温度是120℃- 200℃，在这个温度区间，催化剂具有更高的活性和抗CO中毒能力，因此可以直接采用甲醇，乙醇，天然气等燃料重整制取的非纯氢气为燃料。这样不仅可以简化燃料重整反应器的构造和运行，还有可能进行电池堆和燃料重整反应器的系统一体化设计和开发。同时，高温膜燃料电池产生的余热具有较高的回收价值，便于系统整体效率的提高。此外，由于非水的质子传导机理，高温膜燃料电池不需要对反应气体进行任何加湿处理，从而消除了低温质子交换膜燃料电池系统中的复杂的水管理环节，从根本上简化了燃料电池系统的运行和管理。因此，高温膜燃料电池被认为是聚电解质膜燃料电池未来的发展方向。

磷酸(H₃PO₄) 掺杂的聚苯并咪唑(PBI) 膜是目前研究最广泛且真正应用于HT-PEMFC的一种高温质子交换膜。对基于PBI/H₃PO₄膜的HT-PEMFC，催化层（CL）中的电解质材料是H₃PO₄，靠H₃PO₄在高温下的电离来传导质子。但是，H₃PO₄具有对催化剂（Pt）活性位的强吸附和毒化能力，且对气态反应物的溶解度小、传输速率慢，抑制了催化剂的催化氧还原活性，是导致HT-PEMFC电流密度较低的关键原因。

发明内容

针对所述传统质子导体H₃PO₄的不足，本发明提供了一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法。

本发明解决上述问题的技术方案为：一种增强高温膜燃料电池催化层质子传导率的方法，包括以下步骤：

第一步：制备高温燃料电池用膜电极，在催化层中引入具有较高质子传导能力的CsH₂PO₄作为催化层中的质子导体；

第二步：利用制备成功的高温燃料电池用膜电极制成单电池；

第三步：将单电池装入燃料电池性能测试系统中进行测试；

所述高温燃料电池用膜电极，包括依次层叠的阳极气体扩散电极、高温电解质膜、阴极气体扩散电极，高温燃料电池用膜电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：质子导体CsH₂PO₄的制备