一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极、膜电极及其制备方法与流程

本发明属于电池材料，特别涉及一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极、膜电极及其制备方法，应用于以燃料电池为主的电动汽车等新能源行业。

背景技术：

1、高温质子交换膜燃料电池(ht-pemfcs)，工作温度大于120℃，与典型的低温质子交换膜燃料电池(lt-pemfcs)相比，ht-pemfcs表现出更强的氧还原反应的催化活性和更好的co耐受性。此外，ht-pemfcs不需要加湿，从而简化了系统。

2、膜电极组件简称膜电极，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元-燃料电池单电池，由两侧至中间依次为极板、气体扩散层、催化层、质子交换膜。气体扩散层主要由两部分组成，分别是大孔隙的基底层和小孔隙的微孔层，基底层为微孔层和催化剂层提供支撑作用，微孔层则改善了基底层与催化层之间的接触界面。目前适合高温(120～250℃)工作的质子交换膜有全氟磺酸膜体系及其掺杂改性复合膜、基于磺化非氟聚合物及其复合膜、酸碱络合复合膜、聚苯并咪唑(pbi)膜体系及其掺杂改性复合膜等几类，其中以pbi为代表的无水磷酸体系高温质子交换膜被视为是最具应用前景的高温质子交换膜。在ht-pemfcs中，磷酸掺杂聚苯并咪唑(pa-pbi)及其衍生物作为质子交换膜，磷酸掺杂量直接影响膜的质子传导性能。

3、一般来说，在将膜电极组件装配到单电池与电堆的过程中，电解质膜中的一部分游离磷酸会迁移到电极上。由于阴极、阳极的电化学反应发生在磷酸(质子导体)、气体供应(反应物)和铂(催化剂)之间的三相界面，对于任何给定的电极结构，已知三相界面的构筑主要取决于在电极内自由移动的磷酸的分布和数量。为了提高高温质子交换膜燃料电池的性能，对提高pbi膜的磷酸含量进行了许多研究，并制造出了具有广泛磷酸含量和电导率的pbi膜。随着pbi膜的磷酸含量增加，电导率增加，但同时膜的机械强度降低，因此增加pbi膜的磷酸含量存在局限性，这在一定程度上制约着高温质子交换膜燃料电池性能的提升以及铂载量的降低。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极(gas diffusion electrode，gde)、膜电极及其制备方法，通过向气体扩散电极的催化层中注入磷酸，在维持质子交换膜机械强度的同时显著改进高温质子交换膜燃料电池的电池性能。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、第一方面，一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极的制备方法，包括如下步骤：在气体扩散电极的催化层中注入磷酸溶液，加热去除磷酸溶液中的溶剂，使磷酸保留在催化层中，获得催化层中含有磷酸的气体扩散电极。

4、第二方面，一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极，通过第一方面所述的制备方法制得，该气体扩散电极为阴极气体扩散电极和/或阳极气体扩散电极。

5、第三方面，一种膜电极，包括第一气体扩散电极、质子交换膜和第二气体扩散电极，其中第一气体扩散电极和第二气体扩散电极分别作为膜电极的阳极和阴极，第一气体扩散电极和/或第二气体扩散电极采用第二方面所述的催化层中含有磷酸的气体扩散电极。

6、第四方面，一种单电池，含有第三方面所述的膜电极。

7、第五方面，一种高温质子交换膜燃料电池，含有多组堆叠的第四方面所述的单电池。

8、根据本发明提供的一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极、膜电极及其制备方法，具有以下有益效果：

9、本发明提供的一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极的制备方法，可以制造在催化剂层中含有磷酸的气体扩散电极，掺杂磷酸的质子交换膜与气体扩散电极热压到一起时，有助于磷酸扩散到催化剂层中，并且防止在温度升高过程中磷酸从质子交换膜中流失迁移。此外，额外注入到催化剂层的磷酸有利于进一步构筑磷酸(质子导体)、气体供应(反应物)和催化剂之间的三相界面，降低活化极化损失，从而大大提高了高温质子交换膜燃料电池的性能。

技术特征：

1.一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的催化层中含有磷酸的气体扩散电极的制备方法，其特征在于，所述磷酸溶液通过将磷酸和有机溶剂混合制得。

3.根据权利要求2所述的催化层中含有磷酸的气体扩散电极的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇。

4.根据权利要求1所述的催化层中含有磷酸的气体扩散电极的制备方法，其特征在于，所述磷酸溶液中磷酸与有机溶剂的体积比1:6～1:20。

5.根据权利要求1所述的催化层中含有磷酸的气体扩散电极的制备方法，其特征在于，所述催化层中磷酸的质量含量达10％～50％。

6.根据权利要求1所述的催化层中含有磷酸的气体扩散电极的制备方法，其特征在于，在气体扩散电极的催化层中注入磷酸溶液的方式包括：使用喷枪或涂布机在催化层上进行喷涂。

7.根据权利要求1所述的催化层中含有磷酸的气体扩散电极的制备方法，其特征在于，所述气体扩散电极为作为阴极的气体扩散电极和/或作为阳极的气体扩散电极。

8.一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极，其特征在于，通过权利要求1至6之一所述的制备方法制得，该气体扩散电极为阴极气体扩散电极和/或阳极气体扩散电极。

9.一种膜电极，其特征在于，包括第一气体扩散电极、质子交换膜和第二气体扩散电极，其中第一气体扩散电极和第二气体扩散电极分别作为膜电极的阳极和阴极，第一气体扩散电极和/或第二气体扩散电极采用权利要求1至6之一所述的催化层中含有磷酸的气体扩散电极。

10.一种高温质子交换膜燃料电池，其特征在于，含有权利要求9所述的膜电极。

技术总结
本发明提供了一种催化层中含有磷酸的气体扩散电极、膜电极及其制备方法，包括：在气体扩散电极的催化层中注入磷酸溶液，加热去除溶剂，使磷酸保留在催化层中，获得催化层中含有磷酸的气体扩散电极。通过向气体扩散电极的催化层中注入磷酸，在维持质子交换膜机械强度的同时显著改进高温质子交换膜燃料电池的电池性能。

技术研发人员：邓呈维,姬峰,王星显,郑博文,杜玮,刘静,刘勇
受保护的技术使用者：上海空间电源研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16