【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其是涉及一種空間電源用燃料電池微孔催化層及其制備方法。
技術(shù)介紹
1、質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)是一種將氫氣和氧氣的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能的高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，其能量轉(zhuǎn)換效率高達50-60％，體積小重量輕，副產(chǎn)物水可以供宇航員飲用。此外，燃料電池系統(tǒng)中排出的廢熱溫度約為50～70℃，可用于航天器的熱管理，因此燃料電池電源在空間站、載人航天器、月球基地等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。
2、膜電極(membrane?e?l?ectrodeassemb?l?y，mea)是pemfc最核心的部件，是能量轉(zhuǎn)換的多相物質(zhì)傳輸和電化學反應(yīng)場所，涉及三相界面反應(yīng)和復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，直接決定pemfc的性能、壽命及成本。催化層在質(zhì)子交換膜燃料電池中起著至關(guān)重要的作用，它通常由催化劑、碳載體、離聚物(ionomer)和孔隙組成。這些組分共同形成了一個多孔結(jié)構(gòu)，以促進氫氣和氧氣在陽極和陰極的電化學反應(yīng)。然現(xiàn)有的空間氫氧燃料電池使用純氧氣作為反應(yīng)物，流量較小，產(chǎn)物水無法及時排出反應(yīng)區(qū)，易造成水淹，影響催化層的傳質(zhì)等問題，進而造成電池失效。因此，急需一種水管理能力強的電池催化層結(jié)構(gòu)，改善膜電極的水輸送問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了解決上述
技術(shù)介紹
中的問題，本專利技術(shù)的目的一，在于提供了一種空間電源用燃料電池微孔催化層，催化活性高和耐久性強，催化層生成水能定向排出，能增強膜電極在空間微重力條件下的水管理能力。
2、本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題所采取的方案是
3、所述陽極催化劑漿料包含i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑、全氟磺酸離聚物、超純水和異丙醇；所述i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑包括金屬氧化物載體以及i?ro2，所述金屬氧化物載體表面擔載有pt納米顆粒；
4、所述pt/金屬氧化物催化劑和i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑在催化層內(nèi)的粒徑呈梯度化分布；所述陽極催化劑漿料和陰極催化劑漿料在催化層內(nèi)全氟磺酸離聚物與金屬氧化物載體的質(zhì)量比值呈梯度化分布，其中，全氟磺酸離聚物與超純水、異丙醇的質(zhì)量比值不變。
5、優(yōu)選的，iro2-pt/金屬氧化物催化劑的粒徑為10～200nm。
6、優(yōu)選的，所述i/c比值為0.6～1.5。
7、本專利技術(shù)的目的二，在于提供一種空間電源用燃料電池微孔催化層的制備方法，包括以下步驟：
8、步驟一：制備金屬氧化物載體
9、s1.將金屬氧化物前驅(qū)體溶解于酸溶液中，形成金屬離子溶液，隨后向金屬離子溶液中加入離子水，直至金屬離子溶液中金屬離子的濃度為0.1～1mo?l/l；
10、s2.采用堿溶液作為沉淀劑，滴加到金屬離子溶液中，直至溶液中金屬離子完全沉淀，隨后進行過濾、洗凈并收集所得沉淀物，再將收集到的沉淀物進行熱分解，獲得金屬氧化物載體；
11、步驟二：制備pt/金屬氧化物催化劑和i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑
12、s1.分別稱取金屬氧化物載體、鉑前驅(qū)體、還原劑和溶劑，將鉑前驅(qū)體、還原劑和溶劑混合均勻，獲得混合液，再將金屬氧化物載體加入混合液中，隨后攪拌30min，再進行30min的超聲，獲得反應(yīng)液，隨后向反應(yīng)液中加入堿溶液，直至反應(yīng)液的ph為9；
13、s2.將調(diào)節(jié)過ph的反應(yīng)液置于密封的高壓反應(yīng)釜中并在120℃下反應(yīng)6h，獲得黃色透明溶液，隨后將黃色透明溶液進行靜置冷卻處理，再將5％的hno3水溶液滴入其中，直至黃色透明溶液的ph小于5，隨后進行15min的超聲，再進行過濾并收集所得粉末，將得到的粉末放到真空烘箱中干燥12h，得到pt/金屬氧化物催化劑；
14、s3.將pt/金屬氧化物催化劑與i?ro2放入球磨機中混合均勻，獲得i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑，所述pt/金屬氧化物催化劑的粒徑為10nm～1μm；
15、步驟三：制備催化劑漿料
16、s1.稱取i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑、全氟磺酸離聚物、超純水和異丙醇并混合均勻，形成陽極催化劑漿料；
17、s2.稱取pt/金屬氧化物催化劑、全氟磺酸離聚物、超純水和異丙醇并混合均勻，形成陰極催化劑漿料；
18、步驟四：制備梯度化催化層
19、將陽極催化劑漿料噴涂至質(zhì)子交換膜表面，其中，i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑、超純水和異丙醇的比例不變，沿遠離所述質(zhì)子交換膜一側(cè)的方向，i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑的粒徑遞增，全氟磺酸離聚物與金屬氧化物載體的質(zhì)量比值遞減；
20、將陰極催化劑漿料噴涂至質(zhì)子交換膜表面另一側(cè)，其中，pt/金屬氧化物催化劑、超純水和異丙醇的比例不變，沿遠離所述質(zhì)子交換膜一側(cè)的方向，i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑的粒徑遞增，全氟磺酸離聚物與金屬氧化物載體的質(zhì)量比值遞減。
21、優(yōu)選的，步驟一中的金屬氧化物前驅(qū)體為鈰鹽溶液、鈦鹽溶液、鋯鹽溶液中的一種或幾種。
22、優(yōu)選的，步驟二中的鉑前驅(qū)體為氯鉑酸、四氨基硝酸鉑、酞菁鉑中的一種或幾種。
23、通過上述制備方法能制得性能優(yōu)異以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的催化層。
24、本專利技術(shù)的目的三，在于提供一種空間電源用燃料電池的膜電極，包括質(zhì)子交換膜、氣體擴散層和催化層，所述催化層的厚度為500nm～20μm，所述催化層中催化劑載量為0.05～0.5mg/cm2。
25、本申請的催化層通過噴涂固化在質(zhì)子交換膜表面，氣體擴散層通過熱壓的方式固定于催化層的陰極層和陽極層表面。
26、本專利技術(shù)的目的四，在于提供一種空間電源用燃料電池。
27、本申請中，通過pt/金屬氧化物催化劑與i?ro2的結(jié)合，進一步提高電池的穩(wěn)定性和電催化活性，同時結(jié)合i?ro2的抗反極作用，減小空間微重力環(huán)境對電池內(nèi)部氣液分布以及流動的影響，提高電池的穩(wěn)定性和壽命；
28、其次，通過pt/金屬氧化物催化劑和i?ro2-pt/金屬氧化物催化劑在催化層內(nèi)的粒徑呈梯度化分布以及陽極催化劑漿料和陰極催化劑漿料在催化層內(nèi)全氟磺酸離聚物與金屬氧化物載體的質(zhì)量比值呈梯度化分布，實現(xiàn)水在毛細壓力下的定向性流動，滿足電池在空間微重力條件下的水管理特異性需求。
29、綜上所述，本專利技術(shù)的有益效果為：
30、本專利技術(shù)的催化層能提升膜電極的排水能力，基于微孔徑流體動力學原理，結(jié)合催化劑表面性質(zhì)的改進，實現(xiàn)水在毛細壓力下的定向性流動，滿足電池在空間微重力條件下的水管理特異性需求；
31、在不影響電池性能的條件下通過增加催化層厚度以及結(jié)構(gòu)排布有效增加催化層內(nèi)的活性位點密度，提高催化層的排水能力，降低濃差極化，提升了電池功率密度；
32、通過催化層內(nèi)結(jié)構(gòu)調(diào)控強化水汽傳輸路徑設(shè)計，進行漿料固化成型工藝的研究與催化層三相反應(yīng)界面的調(diào)控，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種空間電源用燃料電池微孔催化層，包括陽極催化劑漿料和陰極催化劑漿料，其特征在于：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間電源用燃料電池微孔催化層，其特征在于，所述Pt/金屬氧化物催化劑的粒徑為10～200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間電源用燃料電池微孔催化層，其特征在于，所述全氟磺酸離聚物與金屬氧化物載體的質(zhì)量比值為0.6～1.5。
4.一種權(quán)利要求1-3任一所述的空間電源用燃料電池微孔催化層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間電源用燃料電池微孔催化層的制備方法，其特征在于，步驟一中的金屬氧化物前驅(qū)體為鈰鹽溶液、鈦鹽溶液、鋯鹽溶液中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種空間電源用燃料電池微孔催化層的制備方法，其特征在于，步驟二中的鉑前驅(qū)體為氯鉑酸、四氨基硝酸鉑、酞菁鉑中的一種或幾種。
7.一種空間電源用燃料電池的膜電極，包括質(zhì)子交換膜、氣體擴散層和催化層，所述催化層為權(quán)利要求1-3任一種空間電源用燃料電池微孔催化層，所述催化層的厚度為500nm～20μm，所述催
8.一種空間電源用燃料電池，其特征在于，包括權(quán)利要求7所述的膜電極。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種空間電源用燃料電池微孔催化層，包括陽極催化劑漿料和陰極催化劑漿料，其特征在于：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間電源用燃料電池微孔催化層，其特征在于，所述pt/金屬氧化物催化劑的粒徑為10～200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間電源用燃料電池微孔催化層，其特征在于，所述全氟磺酸離聚物與金屬氧化物載體的質(zhì)量比值為0.6～1.5。
4.一種權(quán)利要求1-3任一所述的空間電源用燃料電池微孔催化層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間電源用燃料電池微孔催化層的制備方法，其特...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王冠雄，黃志東，陳海峰，范洪東，楊何敏，
申請(專利權(quán))人：深圳航天科技創(chuàng)新研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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