[发明专利]一种燃料电池膜电极的催化层结构

说明书

本发明公开了一种燃料电池膜电极的催化层结构，燃料电池膜电极催化层中的三相界面是电化学反应发生的活性位，其由催化剂、离子交换树脂、气体孔道组成，是电子、质子、气体三种物质能够同时抵达的位点。离子交换树脂中能够传递质子的是高分子骨架侧链上的磺酸根基团，磺酸根上的氢质子可以发生解离，形成氢正离子和高分子负离子。本发明的催化层中，利用电场作用控制离子交换树脂中的氢正离子和高分子负离发生定向排列，使催化层的三相界面形成准有序结构，正离子朝向一致，集中形成连续的亲水通道，用于传递水和质子，负离子朝向一致，集中形成连续的疏水通道，用于气体传输。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池膜电极催化层，通过控制离子交换树脂中氢质子的排列方向，实现准有序结构。

背景技术

传统燃料电池膜电极的催化层微结构是由无数个催化剂聚集体无序排列组成，聚集体内部的微孔为一级孔，聚集体之间的孔道为二级孔，反应气在二级孔中扩散到聚集体表面，再穿过聚集体表面的离子聚合物树脂达到聚集体内部的到达催化剂表面发生电化学反应，这一反应过程中，气体的传质阻力较大，造成电池性能较大的极化损失，同时，被包裹在聚集体内部的一部分催化剂，无法形成的有效的三相界面，导致催化剂利用率较低，膜电极的贵金属用量居高不下。

为了提高催化层中催化剂的利用率，改善气体传输过程，3M公司提出了纳米有序电极，首先利用有机物形成有序定向的纳米晶须，再将催化剂沉积到纳米晶须表面，在表面形成连续的催化剂薄层，催化层微观结构与传统催化层相比有了颠覆性的变化，且催化层中不再有离子交换树脂，由于催化层较薄，依靠催化层中的液态水即可达到质子传到的目的。连续、有序、超薄的催化层结构大大提高了催化剂的利用率，降低了传质阻力，因此催化层有序化被认为是膜电极的未来发展趋势。

在3M公司纳米有序薄层电极之后，研究者又开展了其它技术途径研究，来实现催化层的纳米薄层有序结构，其中包括以TiO₂，TiN，Co-OH-CO₃，聚吡咯为基底，实现纳米有序的催化层结构。但在研究过程中，研究者发现薄层催化层因为没有离子聚合物存在，离子传导的速度大幅降低，同时超薄的催化层很快就会被液态水将空隙堵住，造成电池性能的衰减。

因此有必要找到一种介于传统催化层结构和纳米有序薄层催化层结构之间的新型催化层结构，既能够发挥有序化电极的优势，又能避免薄层电极带来的新问题。

公开号为CN106159285A的专利提出一种燃料电池有序超薄电极的制备方法，在碳纸上浸渍退火得TiO2晶种后通过水热法生长TiO2纳米棒，并经过NH3刻蚀制备TiN有序阵列，在阵列上担载催化剂，构建有序超薄催化层，不含质子导体(如Nafion)。所构建的有序超薄催化层可用于质子交换膜燃料电池以及其它燃料电池与电化学器件。

上述发明专利是在碳纸上原位形成TiN有序阵列，再在表面担载催化剂形成超薄的纳米有序结构的催化层，这种催化层中不含有离子导体。这种超薄的催化层结构，容水空间小容易发生水淹，且由于没有离子导体，催化层的离子传导过程受限。

公开号为CN107359355B的专利提出一种有序化纳米纤维膜电极的制备方法，该膜电极是由离子交换膜以及位于该离子交换膜两侧的催化层组成；位于离子交换膜两侧的催化层均为有序化纳米纤维催化层或者一侧为传统催化层、另一侧为有序化纳米纤维催化层。该膜电极的制备方法包括：先通过静电纺丝制备含催化剂、离子聚合物以及高分子有机物的纳米纤维；然后通过高速取向收集装置收集纳米纤维，制备得到分层有序化纳米纤维催化层；最后利用制得的催化层进行膜电极的组装。本发明涉及到的膜电极在催化剂载量较低情况下，具有较高性能；且催化层纤维形貌可控，在面内均匀分布，气体传输阻力小。

上述发明专利是在膜两侧利用静电纺丝技术制备纳米纤维结构的催化层，所形成的催化层中粘结剂形成纳米纤维，催化剂依附在纳米纤维表面，形成一种特定的有序结构。这种催化层中形成的纳米纤维是依赖催化层中添加的粘结剂，一旦粘结剂流失，纳米纤维结构会被破坏，造成催化剂的流失。

发明内容