提升燃料电池膜电极阴极催化层性能的方法技术

本发明专利技术揭示了一种提升质子交换膜燃料电池阴极催化性能的制备方法，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、导电性碳颗粒。通过在阴极催化层中添加一定比例的疏水性粘结剂，可以有效提高阴极催化层的水管理性能，促进阴极催化层内部水的排出。同时，掺入经酸处理的导电性碳颗粒有助于提高阴极催化层的孔隙率和导电性，减小浓差极化。本发明专利技术提出的提升质子交换膜燃料电池阴极催化性能的阴极催化层制备方法，可极大缓解阴极催化层水淹造成的燃料电池性能不稳定，提升反应物向催化层内部传递的效率，提高燃料电池性能。

【技术实现步骤摘要】
提升燃料电池膜电极阴极催化层性能的方法
本专利技术属于燃料电池
，涉及一种质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种用于质子交换膜燃料电池电堆的膜电极。
技术介绍
质子交换膜燃料电池是一种能源转化装置，能直接将氢气的化学能直接转化为电能，无卡诺循环限制。具有高能量密度、高能量转化效率、环保无污染等优点，广泛应用于军工、航空、民用交通等领域。质子交换膜燃料电池由阳极流场板、膜电极、阴极流场板组成。而膜电极则由阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层组成。氢气在膜电极的阳极催化层侧发生氧化反应，失去电子变成质子，电子经外电路传输到膜电极的阴极催化层侧，质子通过膜电极的质子交换膜转移到阴极催化层中。氧气在膜电极的阴极催化层侧得到经外电路传输过来的电子发生还原反应，与从阳极传递过来的质子结合生成水。膜电极的阴极催化层催化性能是影响燃料电池性能的主要因素。改善阴极催化性能的方法有提高催化剂催化活性、提高阴极催化层孔隙率、提高阴极催化层水热管理性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提高质子交换膜燃料电池膜电极阴极催化层的催化性能，增强阴极催化层抗水淹的能力，提高燃料电池性能，提高电堆能量密度。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种提升燃料电池膜电极性能的阴极催化层，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、导电性碳颗粒；所述的导电性碳颗粒具有比铂碳催化剂更大的尺寸，多壁碳纳米管选用直径为15-30nm，长度为1um-20um的碳纳米管。所述的导电性碳颗粒在添加到催化剂浆料中前，需要进行酸处理；所述的导电性碳颗粒按阴极催化层固含量总质量5%-15%的比例添加到阴极催化剂浆料中；所述的导电性碳颗粒可以是碳纳米管、碳纳米角、碳纳米纤维、石墨粉等；所述的导电性碳颗粒先与催化剂混合，然后再加入亲水性粘结剂、疏水性粘结剂，再加入溶剂进行超声分散或球磨得到均匀分散的催化剂浆料；所述的阴极铂碳催化剂在加入到阴极催化剂浆料中前，需要在惰性气氛中于200oC以上焙烧0.5小时以上，以除去催化剂碳载体表面的酸性官能团。一种用于质子交换膜燃料电池膜电极的阴极催化层，其特征在于，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、导电性碳颗粒，所述导电性碳颗粒尺寸大于铂碳催化剂。作为本专利技术的一种优选方案，所述阳极催化层中添加一种导电性碳颗粒。作为本专利技术的一种优选方案，所述阳极催化层和阴极催化层同时添加一种导电性碳颗粒。作为本专利技术的一种优选方案，所述阴极催化层同时添加两种或两种以上导电性碳颗粒。作为本专利技术的一种优选方案，所述阴极催化层分为两层，近质子交换膜侧的催化层添加导电性碳颗粒，而近气体扩散层的催化层不添加导电性碳颗粒。阴极催化层作为燃料电池半反应的还原反应场所，空气中的氧气通过浓差扩散进入到阴极催化层中在催化剂活性位点上得到经外电路传输过来的电子，再与从阳极传递过来的质子结合生成水。催化层中的化学反应发生在固液气三相区，三相区同时具备电子传输通道、质子传输通道、气体传输通道。通过增加大粒径导电性颗粒来增加电子传输通道和气体传输通道。目前主流的催化层制备方法包括丝印、刮涂、喷涂等方式，采用丝印和刮涂的方式有利于提供生产效率，但是制备的催化层同时也较为紧密，孔隙率较低。采用喷涂的方式制备的催化层相对疏松多孔，但是喷涂效率相对较为低下，不利于提高生产速率。为让催化层疏松多孔，通常采用涂覆、烘干、再涂覆的往复方式，但是造成涂覆时间增长，生产效率降低。采用催化层中添加造孔剂的方式，通常造孔剂热分解后残留的无机离子会占据磺酸基团上质子的位置，需要进行对残留无机离子进行清洗，造成工序繁琐。采用催化层中添加石墨烯可以提高催化层横向导电能力，对提供孔隙率无帮助。通过增加大粒径导电性颗粒的方式，不仅可以增加催化层的导电能力，还可以增加催化层的孔隙率。通过对导电性碳颗粒进行酸处理，能减少亲水性粘结剂对导电性碳颗粒的包覆，暴露更多到导电部位和孔隙通道。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出的用于提供燃料电池膜电极性能的阴极催化层，经过惰性气氛热处理的铂碳催化剂具有跟粘结剂更亲和能力，有助于提高粘结剂的包覆率增加活性位点数目。同时采用亲水性粘结剂和疏水性粘结剂有利于增强阴极催化层的水管理性能。经过酸处理的导电性碳颗粒表面形成大量的酸性基团不被粘结剂包覆，通过导电性碳颗粒将催化层内部各催化剂颗粒连接形成导电通路，可以显著增加阴极催化层内部活性位点数量。该阴极催化层能够实现增加能量密度，提高能量转化效率和电堆性能；有助于提高膜电极催化层内部的气体传输能力，引导阴极产生的过量水向阳极渗透提高膜电极自身水管理能力。本专利技术有助于解决催化层内部气体扩散阻力大，在大电流条件下物质传输不及时的问题，减少浓差极化。与现有膜电极设计相比，本方法有助于提高电堆性能，降低气体背压，提高电堆能量密度。由于传统的燃料电池膜电极阴极催化层在大电流情况下反应物扩散速率跟不上反应物消耗速率，容易发生浓差极化等，导致极限电流小和大电流下输出不稳定等。相比之下，本
技术实现思路
中的阴极催化层通过添加的导电性碳颗粒，可以提高阴极催化层孔隙率和改善水水管理能力。可以将反应气体均匀的分散到催化层内部，有助于提高燃料电池电堆效率和提高功率密度。可以降低催化层铂金催化剂的用量，极大降低电堆成本。附图说明图1为无掺杂的阴极催化层结构示意图。图2为掺杂碳纳米管的阴极催化层结构示意图。图3为近质子交换膜一侧掺杂碳纳米管近气体扩散层一侧不掺杂碳纳米管的阴极催化层结构示意图图4为掺杂碳纳米角的阴极催化层结构示意图。图5为掺杂经酸处理后导电性碳颗粒的催化层和未掺杂导电性碳颗粒的催化层性能比较。具体实施方式下面结合附图详细说明本专利技术的优选实施例。实施例一请参阅图2，本专利技术揭示了一种提升膜电极性能的阴极催化层，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、碳纳米管，所述阴极催化层添加碳纳米管来提高阴极催化层气体传输能力和增强催化层水管理能力。图2中，碳纳米管4和铂碳催化剂1通过疏水性粘结剂2和亲水性粘结剂3分布于阴极催化层。反应气体可以通过碳纳米管构造的疏松孔道扩散到催化层内部参与反应。制备过程如下：碳纳米管在10%的硝酸溶液中于70oC环境中处理0.5h小时后过滤洗涤干净，在真空干燥箱中烘干。铂碳催化剂在加入到阴极催化剂浆料中前，需要在惰性气氛中于200oC以上焙烧0.5小时以上，以除去催化剂碳载体表面的酸性官能团。按2.5：1的比例加入铂碳催化剂和粘结剂，其中疏水性粘结剂和亲水性粘结剂的比例为0.6。将经酸处理后的碳纳米管按阴极催化层固含量总质量15%的比例添加到阴极催化剂混合物中。加入水、丙二醇、乙酸后进行超声分散或球磨得到均匀分散的催化剂浆料，再通过超声喷涂或刮涂的方式涂覆到质子交换膜一侧得到阴极催化层。实施例二请参阅图3，本专利技术揭示了一种阴极催化层，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、碳纳米管，所述阴极催化层添加碳纳米管来提高阴极催化层气体传输能力和增强催化层水管理能力。图3中，碳纳米管4、铂碳催化剂1a通过疏水性粘结剂2a和亲水性粘结剂3a分布于阴极催化层近质子交换膜一侧。铂碳催化剂1a通过疏水性粘结剂2a和亲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于质子交换膜燃料电池电堆的阴极催化层，其特征在于，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、导电性碳颗粒；所述阴极催化层添加有定量亲水性粘结剂，亲水性粘结剂的作用是提高阴极催化层的质子传递能力，降低质子传递电阻；所述阴极催化层添加有定量疏水性粘结剂，疏水性粘结剂的作用是提高阴极催化层的水管理能力，催化催化层内部液态水的排出；所述亲水性粘结剂和疏水性粘结剂比例为0.1 ‑ 0.7；所述阴极催化层添加有定量的导电性碳颗粒，导电性碳颗粒的作用的提供阴极催化层的空隙率和降低催化层纵向电阻。

【技术特征摘要】
1.一种用于质子交换膜燃料电池电堆的阴极催化层，其特征在于，所述阴极催化层包括：铂碳催化剂、亲水性粘结剂、疏水性粘结剂、导电性碳颗粒；所述阴极催化层添加有定量亲水性粘结剂，亲水性粘结剂的作用是提高阴极催化层的质子传递能力，降低质子传递电阻；所述阴极催化层添加有定量疏水性粘结剂，疏水性粘结剂的作用是提高阴极催化层的水管理能力，催化催化层内部液态水的排出；所述亲水性粘结剂和疏水性粘结剂比例为0.1-0.7；所述阴极催化层添加有定量的导电性碳颗粒，导电性碳颗粒的作用的提供阴极催化层的空隙率和降低催化层纵向电阻。2.根据权利要求1所述阴极催化层添加的导电性碳颗粒在添加到阴极催化层前做预处理，预处理方法为：将导电性碳颗粒加入到硝酸溶液中于60-70oC反应釜中处理4-7小时；所述导电性碳颗粒尺寸大于铂碳催化剂，该导电性碳颗粒可以是碳纳米管、碳纳米角、碳纳米纤维、乙炔黑等；所述导电性碳颗粒按催化剂和粘结剂总质量的0.5%~20%的比例添加到催化剂浆料中混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊子昂，党岱，粟青青，
申请(专利权)人：粟青青，
类型：发明
国别省市：广东,44