“树干型”高度有序化燃料电池膜电极结构研究

降低铂使用量是质子交换膜燃料电池走向商业化应用的关键，现有催化层的无序堆积结构造成铂利用率偏低，所以通过催化层微观结构有序化来提高催化剂利用率是降低铂使用量的有效途径。本申请提出了一种"树干型"微观传递反应界面高度有序化的燃料电池膜电极结构，催化反应层由无数垂直于膜的纳米"树干"组成，"树皮"层由无定形碳构成，能起到传导气体和电子的作用；"树芯"是聚合物相，与质子膜相连传导质子；"树皮"与"树芯"之间的"生长层"是高度分散的铂催化剂，在此反应产生的电子直接进入电子导电的"树皮"层，质子经由聚合物相的"树芯"传导。此新结构有可能使铂催化剂的利用率达到100%，从而最大限度降低铂载量，而且，"树皮"限制了铂粒子的团聚，从而促进高活性、高稳定的催化性能。这种"树干型"膜电极结构可以通过模板法进行合成，技术路线可行。本申请提出的新结构有望开拓燃料电池研究膜电极有序化研究的新方向。

本项目提出了一种质子交换膜燃料电池“树干型”微观有序化催化层结构，催化反应层由无数垂直于膜的纳米“树干”组成，“树皮”层由无定形碳构成，能起到传导气体和电子的作用；“树芯”是聚合物相，与质子膜相连传导质子；“树皮”与“树芯”之间的“生长层”是高度分散的铂催化剂，在此反应产生的电子直接进入电子导电的“树皮”层，质子经由聚合物相的“树芯”传导。并且提出了实现此树干型微观有序化催化层结构的技术路径：首先利用具有有序化纳米孔洞的阳极氧化铝模板，通过浸渍烧结的方法在纳米孔道内部生成碳纳米管，进而浸渍氯铂酸溶液并利用硼氢化物还原，在纳米碳管内部生成一层铂粒子，然后通过抽滤法在纳米管内部形成全氟磺酸膜纳米线，接下来将两片阳极氧化铝模板与质子交换膜热压得到包含模板的膜电极，最后将氧化铝模板溶解掉得到有序化膜电极，夹在两片气体扩散层之间可以获得燃料电池膜电极组件。通过项目研究，成功实现了这一技术路径，得到了微观有序化的“树干型”燃料电池催化层结构，实验结果表明这种有序化催化层结构具有一定电化学活性，制成的燃料电池膜电极功率密度可达到100mW/cm2，具有较低的浓差极化过电位。