一种燃料电池多孔催化层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种燃料电池多孔催化层的制备方法。通过将催化剂浆料和造孔浆料同时出料喷涂进行催化层的制备。一方面，造孔浆料中的碳材料能够形成更多的空隙，创造催化层的多孔结构；另一方面，造孔浆料中的溶剂水能够减慢催化剂浆料干燥过程中溶剂的挥发速率，缓解由于醇的快速挥发导致的孔结构致密，从而形成有利于气体和产物水运输的孔结构，提高燃料电池的输出性能，特别是在高电流密度下。本发明专利技术方法能够脱离催化剂浆料特性的限制实现对催化层孔结构的优化，从而增加了调控的灵活性。本发明专利技术的方法简单易行，可用于规模化生产，有助于推动燃料电池商业化。于推动燃料电池商业化。于推动燃料电池商业化。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池多孔催化层及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池多孔催化层及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池具有转换效率高、排放无污染的优点，将成为未来能源应用的发展方向之一。为了实现燃料电池更高的输出功率和更好的耐久性，对电极结构的优化至关重要。在高电流密度条件下，传质阻力一直是燃料电池实现更高性能的一个不可忽视的障碍。一方面，催化层内需要更多反应物到达催化剂表面参与电化学反应，另一方面，生成的大量产物水会导致孔道堵塞，造成催化层水淹，使得反应气体的传输通道受阻。因此，合理设计电极结构，改善传质，提高Pt的利用率是燃料电池获得更好性能的关键。
[0003]传统的催化层制备方法形成的孔道不足以满足高电流密度下的高输出功率要求，而一些造孔剂的加入，如聚苯乙烯微球，又存在催化层制备过程复杂等问题，离规模化生产仍有一定距离。此外，任何加入到催化剂浆料中的物质或者浆料配方的调整都会改变浆料的特性，这可能会给电池性能带来另外的负面影响，同时为了达到结构改善的目的，优化电池的输出性能，可能需对浆料的配方或者催化层的制备过程进行一定的调整，增加了操作的复杂度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决与现有技术相关的上述问题，提供了一种燃料电池多孔催化层及其制备方法，该方法能够在不改变催化剂浆料特性的前提下优化催化层孔结构，从而改善传质，提高燃料电池输出性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种燃料电池多孔催化层的浆料的制备方法，所述方法为：催化剂浆料和造孔浆料同时出料喷涂制备多孔催化层；所述造孔浆料包含碳材料、表面活性剂以及水，所述表面活性剂和碳材料的质量比为0.02～2:1，所述造孔浆料中，碳材料和表面活性剂的总质量百分含量不高于3％。
[0007]基于以上技术方案，有选地，所述催化剂浆料包含催化剂、全氟磺酸离聚物以及分散剂；所述催化剂浆料中，催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量百分含量为0.1～3％。
[0008]基于以上技术方案，有选地，所述催化剂包括碳载体和催化活性物质，所述碳载体与全氟磺酸离聚物的质量比为1：0.3～1.2，所述催化剂中，催化活性物质的质量百分含量为10～70％；所述碳载体为Ketjen Black、Vulcan XC
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72、BP2000中的一种，所述催化活性物质为Pt或Pt及Co、Ir、Pd、Ru、Au、Fe、Sn、Cu中的一种或两种以上混合。
[0009]基于以上技术方案，有选地，所述全氟磺酸离聚物为Nafion、3M、Aquivion中的一种；所述分散剂为水和挥发性醇的混合溶剂，所述挥发性醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或至少两种的混合物，所述混合溶剂中，挥发性醇的质量百分含量为5～95％。
[0010]基于以上技术方案，有选地，所述碳材料为碳纳米管、石墨烯中的一种，所述碳材
料与碳载体的质量比为0.25～3:1。
[0011]基于以上技术方案，有选地，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸、全氟磺酸树脂、曲拉通中的一种。
[0012]基于以上技术方案，有选地，所述造孔浆料出料量与催化剂浆料出料量之比为x:1，0<x<6。
[0013]基于以上技术方案，有选地，催化剂浆料出料量在整个喷涂过程中保持不变，造孔浆料出料量与催化剂浆料出料量的比值根据喷涂基底的不同逐层递增或递减，递增或递减的值为y，其中0<y≤0.5；所述基底为质子交换膜时递增，所述基底为扩散层时递减。
[0014]本专利技术还提供一种用于燃料电池的膜电极，包括质子交换膜、气体扩散层、聚酯框和催化层，所述催化层为上述制备方法制得的催化层；所述催化层中Pt在阴阳极的担载量均为0.05～0.4mg/cm2。
[0015]本专利技术还提供一种燃料电池，包括上述膜电极。
[0016]本专利技术的有益效果为：
[0017](1)本专利技术的方法采用催化剂浆料和造孔浆料同时出料喷涂来制备催化层能够脱离催化剂浆料特性实现对催化层孔结构的独立调控，即任何催化剂浆料结构都适用于本方法，增加了调控的灵活性。
[0018](2)造孔浆料和催化剂浆料同时喷涂时，一方面，造孔浆料中的碳材料能够形成更多的空隙，创造催化层的多孔结构；另一方面，造孔浆料中的溶剂水能够减慢催化剂浆料干燥过程中溶剂的挥发速率，缓解由于醇的快速挥发导致的孔结构致密，从而形成有利于气体和产物水运输的孔结构，提高燃料电池的输出性能，特别是在高电流密度下。
[0019](3)本专利技术的方法简单易行，可用于规模化生产，有助于推动燃料电池商业化。
附图说明
[0020]图1是本专利技术制备方法的示意图，a为本专利技术，b为现有技术；
[0021]图2为本专利技术对比例1
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3和实施例1
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2膜电极在氢空条件下的极化曲线图。
具体实施方式
[0022]现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。
[0023]具体操作过程如下：
[0024]以下实施例1
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2和对比例1
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3中，阳极侧催化剂浆料的配制参数为：40wt.％Pt含量的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚物与催化剂碳载体的质量比为0.65:1，全氟磺酸离聚物采用Nafion，分散剂为水和异丙醇的混合溶剂，其中异丙醇的质量百分含量为50％，碳载铂催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量百分含量为1％。
[0025]将分散好的阳极催化剂浆料装入一个喷枪中，将其喷涂到质子交换膜上制备得到阳极催化层，其中阳极催化层的Pt担载量为0.2mg/cm2。
[0026]对比例1
[0027]阴极侧催化剂浆料的配制参数为：Pt含量为40wt.％的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚物和催化剂碳载体的质量比为0.65:1，全氟磺酸离聚物采用Nafion，分散剂为水和异丙醇的混合溶剂，其中异丙醇的质量百分含量为50％，碳载铂催化剂和全氟磺酸离聚物的总
质量百分含量为1％。
[0028]将分散好的催化剂浆料装入一个喷枪中，再将其喷涂到质子交换膜上制备得到阴极催化层。其中阴极催化层的Pt担载量为0.1mg/cm2，最后与气体扩散层热压得到膜电极。
[0029]对比例2
[0030]阴极侧催化剂浆料的配制参数为：Pt含量为40wt.％的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚物和催化剂碳载体的质量比为0.65：1，碳材料采用碳纳米管，碳纳米管与催化剂碳载体的质量比为0.8:1全氟磺酸离聚物采用Nafion，分散剂为水和异丙醇的混合溶剂，其中异丙醇的质量百分含量为50％，碳载铂催化剂、全氟磺酸离聚物和碳纳米管的总质量百分含量为1％。
[0031]将分散好的催化剂浆料装入一个喷枪中，再将其喷涂到质子交换膜上制备得到阴极催化层。其中阴极催化层的Pt担载量为0.1mg本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池多孔催化层的制备方法，其特征在于，所述方法为：催化剂浆料和造孔浆料同时出料喷涂制备多孔催化层；所述造孔浆料包含碳材料、表面活性剂以及水，所述表面活性剂和碳材料的质量比为0.02～2:1，所述造孔浆料中，碳材料和表面活性剂的总质量百分含量不高于3％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂浆料包含催化剂、全氟磺酸离聚物以及分散剂；所述催化剂浆料中，催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量百分含量为0.1～3％。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂包括碳载体和催化活性物质，所述碳载体与全氟磺酸离聚物的质量比为1：0.3～1.2，所述催化剂中，催化活性物质的质量百分含量为10～70％；所述碳载体为Ketjen Black、Vulcan XC
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72、BP2000中的一种，所述催化活性物质为Pt或Pt及Co、Ir、Pd、Ru、Au、Fe、Sn、Cu中的一种或两种以上混合。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述全氟磺酸离聚物为Nafion、3M、Aquivion中的一种；所述分散剂为水和挥发性醇的混合溶剂，所述挥发性醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵志刚，任红，孟祥超，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：