[发明专利]一种提升耐久性的高性能质子交换膜燃料电池膜电极结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种提升耐久性的高性能质子交换膜燃料电池膜电极结构及其制备方法。本发明提升耐久性的高性能质子交换膜燃料电池膜电极结构，包括：固定质量的阳极催化层、固定质量的阴极催化层、固定质量的离聚物、添加在阳极催化层中的第一自由基清除剂、添加在阴极催化层中的第二自由基清除剂，所述第一自由基清除剂占整个催化层的重量比例为0.2％‑5％；所述第二自由基清除剂占整个催化层的重量比例为0％‑1％。本发明提出在阴极催化层和阳极催化层实施不同自由基清除剂添加量的方法，既保证了耐久性的提升，又缓解其对电池性能的损害。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种提升耐久性的高性能质子交换膜燃料电池膜电极结构及其制备方法。

背景技术

现有技术中公开了一种燃料电池催化层结构及其制备，其提出催化层制备浆料中掺杂具有自由基淬灭功能的添加剂，添加剂的加入量占整个催化层的重量比例为1％-20％，进而达到提高燃料电池稳定性的目的。现有的另一项技术中公开了一种聚合物电解质膜燃料电池的电极和使用其形成膜电极组件的方法，其提出在催化剂浆料中加入固体自由基抑制剂铈锆氧化物(CeZrO4)，加入量为催化剂用量的1-20％，来减缓燃料电池化学降解。

催化层中加入的金属离子会取代聚合物中的酸性质子，占据质子传输位点，因此随着金属离子添加量的增大，会出现电池性能及功率密度损失。当自由基清除剂的加入量达到5％时，MEA的性能损失很小，但是当加入量增加到10％或更高时，性能损失就变得非常严重。现有专利建议的自由基清除剂的加入量最大达到20％，往往会引起显著的电池性能损失。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种提升耐久性的高性能质子交换膜燃料电池膜电极结构及其制备方法。本发明提出在阴极催化层和阳极催化层实施不同自由基清除剂添加量的方法，既保证了耐久性的提升，又缓解其对电池性能的损害。由于H₂O₂更多的是在阳极产生，本发明在阳极添加相对较多的自由基清除剂，控制阳极添加量占整个阳极催化层的质量比例为0.2％-5％，提高自由基清除效率，提升膜电极耐久性。另一方面，阴极催化层的氧还原性能是限制燃料电池产电效率的关键因素，本发明减小了自由基清除剂在阴极的添加量，控制阴极添加量占整个阴极催化层的质量比例为0％-1％，降低了其对电池性能的影响。

本发明采用的技术手段如下：

一种提升耐久性的高性能质子交换膜燃料电池膜电极结构，包括：固定质量的阳极催化层、固定质量的阴极催化层、固定质量的离聚物、添加在阳极催化层中的第一自由基清除剂、添加在阴极催化层中的第二自由基清除剂，所述第一自由基清除剂占整个催化层的重量比例为0.2％-5％；所述第二自由基清除剂占整个催化层的重量比例为0％-1％。

进一步地，所述第一自由基清除剂和第二自由基清除剂的添加种类包括金属颗粒和无机金属氧化物的一种或两种以上的结合；其中：

所述金属颗粒包括Ce、Mn、Pd、Ag、Au以及Pt；

所述无机金属氧化物包括CeO₂、TiO₂、MnO₂、ZrO₂；

所述第一自由基清除剂和第二自由基清除剂的添加种类还包括碳氧化钨、碳磷钨酸、以及对苯二甲酸的一种或两种以上的结合。

进一步地，所述第一自由基清除剂和第二自由基清除剂的粒径范围为20-50um。

进一步地，所述第一自由基清除剂和第二自由基清除剂添加方式为机械共混。

进一步地，所述阳极催化层和阴极催化层由催化剂颗粒组成，催化剂颗粒为Pt/C催化剂，其中Pt的含量为30％-80％，粒径为1-8nm。

进一步地，所述离聚物全氟磺酸树脂，全氟磺酸树脂包括短侧链树脂、中长侧链树脂以及长侧链树脂的一种或两种以上的结合。