一种催化浆液、膜电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种催化浆液、膜电极及其制备方法和应用，所述催化浆液包括A组分和B组分；所述A组分包括0.5‑1.2重量份的催化剂、0.6‑1.1重量份的稳定剂、1.5‑2.2重量份的反极抑制剂、0.9‑1.3重量份的粘结剂以及90‑99重量份的溶剂；所述B组分包括0.5‑0.7重量份的催化剂、0.39‑0.94重量份的稳定剂、1.7‑2.02重量份的反极抑制剂、0.75‑2.4重量份的粘结剂、0.8‑1.2重量份的增活剂以及84.7‑99.5重量份的溶剂；催化浆液通过阶梯式浓度分布以及添加增活剂，提高铂利用率、氢质子传递速率、电子传递速率，降低活化极化、欧姆极化及传质极化，提高膜电极功率密度。

A kind of catalytic slurry and membrane electrode and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种催化浆液、膜电极及其制备方法和应用
本专利技术属于燃料电池领域，涉及一种催化浆液、膜电极及其制备方法和应用。
技术介绍
质子交换膜燃料电池，它的原理是利用氢气和氧气发生反应，将化学能直接转化为电能，由于具有能量转化效率高、低温启动快速，无污染、耐久性好、比功率高等优点，被认为是20世纪的最佳绿色能源之一。膜电极是质子交换膜燃料电池的发电中心，是电化学反应主要发生场所，完成反应的发生、生成物的传送、电子的传递、能量的转移。其制备工艺将直接决定整个电池的功率密度、使用寿命及成本控制。目前最常见的膜电极制备方法是采用丝网、喷涂、转印、干粉喷涂或狭缝喷涂等方法将阴、阳极催化剂直接涂敷于质子交换膜的两侧，得到CCM(CatalystCoatedMembrane)，经过密封边框再与扩散层组合(可热压也可不热压)。该工艺的难点主要有：(1)如何利用现有成熟商品化催化剂控制较低Pt载量同时，电流密度和耐久性没有降低；(2)如何解决质子交换膜一侧经过喷涂阴极(或阳极)催化剂后，在其另一侧涂覆阳极(或阴极)催化剂时，质子交换膜会溶胀变形，制备的膜电极性能偏低、差异性大、生产效率低的问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术在于提供一种催化浆液、膜电极及其制备方法和应用，催化浆液通过阶梯式浓度分布并包括增活剂，显著提高了Pt的利用率、氢质子传递速率、电子传递速率，进而降低了活化极化、欧姆极化及传质极化，使得膜电极的功率密度得到大幅度提升；膜电极的制备过程中采用超声波喷涂与一次转印相结合的方式，在相同Pt载量下，可以降低催化层的厚度，不但可以避免质子膜溶胀问题，还可以提高质子传递速率，进而提高膜电极性能同时还能实现降低成本；采用将含有热熔胶密封边框、带有催化剂层的质子交换膜、气体扩散层热压一体成型膜电极技术，具有批次一致性好、功率密度高的优势。本专利技术的目的之一在于提供一种催化浆液，所述催化浆液包括A组分和B组分；所述A组分包括0.5-1.2重量份的催化剂(例如0.5重量份、0.55重量份、0.6重量份、0.65重量份、0.7重量份、0.75重量份、0.8重量份、0.85重量份、0.9重量份、0.95重量份、1重量份、1.05重量份、1.1重量份、1.15重量份、1.2重量份等)、0.6-1.1重量份的稳定剂(例如0.6重量份、0.7重量份、0.8重量份、0.9重量份、1重量份、1.1重量份等)、1.5-2.2重量份的反极抑制剂(例如1.5重量份、1.6重量份、1.7重量份、1.8重量份、1.9重量份、2重量份、2.1重量份、2.2重量份等)、0.9-1.3重量份的粘结剂(例如0.9重量份、1重量份、1.1重量份、1.2重量份、1.3重量份等)以及90-99重量份的溶剂(例如90重量份、90.5重量份、91重量份、91.5重量份、92重量份、92.5重量份、93重量份、93.5重量份、94重量份、94.5重量份、95重量份、95.5重量份、96重量份、96.5重量份、97重量份、97.5重量份、98重量份、98.5重量份、99重量份等)；所述B组分以其总质量为100重量份计，包括质量百分含量为0.5-0.7重量份的催化剂(例如0.5重量份、0.51重量份、0.52重量份、0.53重量份、0.54重量份、0.55重量份、0.56重量份、0.57重量份、0.58重量份、0.59重量份、0.6重量份、0.62重量份、0.65重量份、0.67重量份、0.7重量份等)、0.39-0.94重量份的稳定剂(例如0.39重量份、0.4重量份、0.45重量份、0.5重量份、0.55重量份、0.6重量份、0.65重量份、0.7重量份、0.75重量份、0.8重量份、0.85重量份、0.9重量份、0.94重量份等)、1.7-2.02重量份的反极抑制剂(例如1.7重量份、1.75重量份、1.8重量份、1.85重量份、1.9重量份、1.95重量份、2重量份、2.02重量份等)、0.75-2.4重量份的粘结剂(例如0.75重量份、0.8重量份、0.85重量份、0.9重量份、0.95重量份、1重量份、1.05重量份、1.1重量份、1.15重量份、1.2重量份、1.5重量份、1.8重量份、2重量份、2.2重量份、2.4重量份等)、0.8-1.2重量份的增活剂(例如0.8重量份、0.85重量份、0.9重量份、0.95重量份、1重量份、1.05重量份、1.1重量份、1.15重量份、1.2重量份等)以及84.7-99.5重量份的溶剂(例如84.7重量份、85重量份、85.5重量份、86重量份、87重量份、88重量份、89重量份、90重量份、91重量份、92重量份、93重量份、94重量份、95重量份、96重量份、97重量份、98重量份、99重量份、99.5重量份等)。本专利技术中的催化浆液通过阶梯式浓度分布，并包括一定量的增活剂，不仅高效提高Pt的利用率还可以提高电子传递速率，进而显著提高阴极氧还原反应速率，从而改善膜电极的功率密度。在本专利技术中，所述组分A中催化剂包括Pt/C催化剂和/或Pt-M/C催化剂，其中，M为Ni、Fe或Co中的任意一种。在本专利技术中，所述组分A中，Pt/C催化剂和/或Pt-M/C催化剂中Pt的质量分数为60-70％，例如60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％等。在本专利技术中，所述组分B中催化剂包括Pt/C催化剂或Pt-M/C催化剂，其中，M为Ni、Fe或Co中的任意一种。在本专利技术中，所述组分B中，Pt/C催化剂和/或Pt-M/C催化剂中Pt的质量分数为20-48％，例如20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、48％等。在本专利技术中，所述稳定剂包括去离子水。在本专利技术中，所述反极抑制剂包括氧化铱、二氧化铈、氧化铷或氧化钌中的任意一种或至少两种的组合。在本专利技术中，所述粘结剂包括5％Nafion树脂溶液。本专利技术中5％Nafion树脂溶液是指浓度为5wt％的全氟磺酸树脂溶液。在本专利技术中，所述增活剂包括石墨烯、石墨、氧化石墨烯或改性石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。在本专利技术中，改性石墨烯包括氨基化石墨烯、负载金属石墨烯、还原石墨烯或羧基化石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。在本专利技术中，所述溶剂包括乙醇、异丙醇、正丙醇或正丁醇中的任意一种或至少两种的组合。在本专利技术中，所述A组分的制备方法包括：A1、将催化剂和稳定剂混合，得到混合物M。A2、将步骤A1得到的混合物M中加入溶剂和反极抑制剂混合，得到混合物N；A3、将步骤A2得到的混合物N中加入粘结剂混合，得到所述A组分。在本专利技术中，步骤A1所述混合的方式为超声混合。在本专利技术中，步骤A1所述混合的时间为5-15min，例如5min、8min、10min、12min、15min等。在本专利技术中，步骤A2所述混合是在搅拌条件下进行的。在本专利技术中，步骤A2所述混合的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化浆液，其特征在于，所述催化浆液包括A组分和B组分；/n所述A组分包括0.5-1.2重量份的催化剂、0.6-1.1重量份的稳定剂、1.5-2.2重量份的反极抑制剂、0.9-1.3重量份的粘结剂以及90-99重量份的溶剂；/n所述B组分包括0.5-0.7重量份的催化剂、0.39-0.94重量份的稳定剂、1.7-2.02重量份的反极抑制剂、0.75-2.4重量份的粘结剂、0.8-1.2重量份的增活剂以及84.7-99.5重量份的溶剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种催化浆液，其特征在于，所述催化浆液包括A组分和B组分；
所述A组分包括0.5-1.2重量份的催化剂、0.6-1.1重量份的稳定剂、1.5-2.2重量份的反极抑制剂、0.9-1.3重量份的粘结剂以及90-99重量份的溶剂；
所述B组分包括0.5-0.7重量份的催化剂、0.39-0.94重量份的稳定剂、1.7-2.02重量份的反极抑制剂、0.75-2.4重量份的粘结剂、0.8-1.2重量份的增活剂以及84.7-99.5重量份的溶剂。


2.根据权利要求1所述的催化浆液，其特征在于，所述组分A中催化剂包括Pt/C催化剂和/或Pt-M/C催化剂，其中，M为Ni、Fe或Co中的任意一种；
优选地，所述组分A中，Pt/C催化剂和/或Pt-M/C催化剂中Pt的质量分数为60-70％；
优选地，所述组分B中催化剂包括Pt/C催化剂和/或Pt-M/C催化剂，其中，M为Ni、Fe或Co中的任意一种；
优选地，所述组分B中，Pt/C催化剂和/或Pt-M/C催化剂中Pt的质量分数为20-48％；
优选地，所述稳定剂包括去离子水；
优选地，所述反极抑制剂包括二氧化铱、二氧化铈、氧化铷或氧化钌中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述粘结剂为5％Nafion树脂溶液；
优选地，所述增活剂包括石墨烯、石墨、氧化石墨烯或改性石墨烯中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述溶剂包括乙醇、异丙醇、正丙醇或正丁醇中的任意一种或至少两种的组合。


3.根据权利要求1或2所述的催化浆液，其特征在于，所述A组分的制备方法包括：
A1、将催化剂和稳定剂混合，得到混合物M；
A2、将步骤A1得到的混合物M中加入溶剂和反极抑制剂混合，得到混合物N；
A3、将步骤A2得到的混合物N中加入粘结剂混合，得到所述A组分；
优选地，步骤A1所述混合的方式为超声混合；
优选地，步骤A1所述混合的时间为5-15min；
优选地，步骤A2所述混合是在搅拌条件下进行的；
优选地，步骤A2所述混合的时间为10-30min；
优选地，步骤A3所述混合是在高速乳化剪切机中搅拌混合的；
优选地，步骤A3所述混合的时间为45-70min；
优选地，步骤A3所述混合是在惰性气体中进行的；
优选地，所述惰性气体包括氮气、氩气或氦气中的任意一种。


4.根据权利要求1-3任一项所述的催化浆液，其特征在于，所述B组分的制备方法包括：
B1、将催化剂和稳定剂混合，得到混合物C；
B2、将步骤B1得到的混合物C中加入溶剂和反极抑制剂混合，得到混合物D；
B3、将步骤B2得到的混合物D中加入粘结剂混合，得到混合物E；
B4、将步骤B3得到的混合物E中加入增活剂溶液混合，得到所述B组分；
优选地，步骤B1所述混合的方式为超声混合；
优选地，步骤B2所述混合是在超声波条件下进行分散的；
优选地，步骤B2所述混合的时间为不少于20min；
优选地，步骤B3所述混合是在高速乳化剪切机中混合的；
优选地，步骤B3所述混合的时间为45-70min；
优选地，步骤B3所述混合是在惰性气体中进行的；
优选地，所述惰性气体包括氮气、氩气或氦气中的任意一种；
优选地，步骤B4所述增活剂溶液的溶剂为正丁醇；
优选地，步骤B4所述增活剂溶液的溶质为石墨烯、氧化石墨烯、石墨或改性石墨烯中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤B4所述增活剂溶液的浓度为0.05-0.2％；
优选地，步骤B4所述混合包括先超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：于力娜，张克金，朱雅男，唐柳，杨帅，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22