一种质子交换膜燃料电池用催化剂浆料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池用催化剂浆料及其制备方法，涉及膜电极技术领域。本发明专利技术通过对碳纳米改性后水分散性良好，并利用碳纳米管一维结构的增益作用，有效降低裂纹风险；简易了浆料制备方式、干燥模式、涂布方式。采用本发明专利技术方法，可高效、快速制备出裂纹少的质子交换膜燃料电池电极催化层。少的质子交换膜燃料电池电极催化层。少的质子交换膜燃料电池电极催化层。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池用催化剂浆料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及膜电极
，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用催化剂浆料及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有绿色环保、能量密度高、发电效率高、启动速度快等优点，成为最为重要的燃料电池形式之一，最有希望成为汽车的动力源、备用电源。膜电极作为质子交换膜燃料电池核心组件，CCM是膜电极的核心组件，对质子膜燃料电池成本和性能起到至关重要的作用，其是由阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层构成的三合一结构。其中催化层作为燃料电池的氢和氧的反应场所，分别包括阴极催化层的氧气还原反应和阳极催化层的氢气氧化反应。因此，催化层合理构建将是燃料电池开发中重要的课题之一，尤其是阴极催化层的合理构建。
[0003]阴极催化具有较高的催化剂含量，目前最为常用为涂布法制备膜电极。阴极催化层在制备的过程中受限于浆料、表面张力、不同溶剂挥发速度不同容易出现裂纹现象。催化剂层裂纹会严重影响燃料电池的性能，比如加速质子膜的老化，开裂区域容易造成水淹从而加速膜电极性能衰退等。
[0004]在相关技术中，公开号CN113839048A的专利申请公开了一种质子交换膜用催化剂浆料，包括：催化剂、全氟磺酸树脂、溶剂和添加剂，所述添加剂为含有碳纳米管的分散液，所述分散液为水溶性酰胺类有机溶剂。所述碳纳米管的质量为所述催化剂和全氟磺酸树脂质量总和的1
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10％，其中，所述含有碳纳米管的分散液中碳纳米管的固含量为5
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10％。该专利技术的质子交换膜用催化剂浆料，在质子交换膜燃料电池催化层构建了三维导电网络，提高了催化层与质子交换膜的接触，降低了质子交换膜的溶胀，提升了催化剂的利用率，采用该催化剂浆料能够直接涂敷在质子交换膜上，能够制得裂纹少、性能优异的CCM。但在该专利技术的分散液处理下，碳纳米管的分散效果并不是很好，会导致质子交换膜上仍然有裂纹，影响CCM的性能。
[0005]公开号为CN109713331A的专利申请提供了一种催化剂浆料、催化剂涂膜、膜电极组件及其用途，该催化剂浆料是由Pt
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C催化剂、全氟磺酸树脂树脂、醇溶剂和多壁碳纳米管制备成的胶体。该专利技术系统性地改变加入多壁碳纳米管的质量和不同树脂与碳的比例优化催化剂浆料，不仅优化了浆料的电导率，提高了催化层的电导率，而且膜电极的电化学活性面积和质量比活性也得到大幅度提高。该专利技术加入的多壁碳纳米管在浆料的分散性有待提高，会导致质子交换膜上仍然有裂纹，影响CCM的性能。
[0006]因此，需要开发一种成本低，操作简单、无裂纹、性能优异的质子交换膜直接涂敷用催化剂浆料。

技术实现思路

[0007]本申请目的在于提供一种裂纹少的催化层制备方法，采用涂布法制备，通过对碳
纳米管进行改性获得优异的水均匀分散能力，并利用碳纳米管的一维结构来有效抑制催化层在涂布干燥过程中形成裂纹。
[0008]碳纳米管其独特一维结构性质，被广泛应用在柔性自支撑膜领域。同样，申请人通过对碳纳米管进行处理，利用水分散性良好的碳纳米管均匀分散液(图2右)涂布成膜，它不仅成膜性好，并且所形成的膜不会出现开裂现象(图1)。因此，也可推测出一维结构的具备水分散性良好的碳纳米管应用在燃料电池催化层中可抑制催化层裂纹形成。
[0009]本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种质子交换膜燃料电池用催化剂浆料的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)预处理碳纳米管：
[0012]将碳纳米管加入分散液中，在120～150℃温度下分散3
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5h，然后洗涤干燥，得到预处理的碳纳米管；所述分散液为无机酸；
[0013](2)将催化剂、步骤(1)中预处理的碳纳米管、全氟磺酸树脂溶液混合，然后加入溶剂，分散后获得所述质子交换膜燃料电池用催化剂浆料。
[0014]优选的，步骤(1)中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管；所述无机酸为硝酸；所述硝酸浓度为68wt％。使用硝酸，利用硝酸的氧化性，碳纳米管获得优异的水均匀分散能力，使其水分散性良好。
[0015]步骤(2)中，所述催化剂为铂碳催化剂，所述催化剂的铂含量为40
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70wt％；所述催化剂为TKK品牌的TEC10E50E或TEC10E40，但不限于此。所述全氟磺酸树脂溶液为Aquivion D83
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24B、Aquivion D79
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25BS、Aquivion D72
‑
25BS或科慕D2020。
[0016]具体的，步骤(2)中，所述溶剂包括水和醇类，水和醇类的质量之比为1.02～99∶1；所述醇类为甲醇、乙醇、异丙醇或正丙醇。
[0017]优选的，步骤(2)中，添加预处理的碳纳米管、催化剂、溶剂、全氟磺酸树脂溶液的质量比为1∶25
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200∶370
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1600∶16
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100。
[0018]步骤(2)中，分散的条件为：在氮气或氩气保护下，在温度为0～10℃、10000
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20000rpm速度下搅拌或剪切进行分散。
[0019]本专利技术还提供了一种所述的制备方法制备的质子交换膜燃料电池用催化剂浆料。
[0020]本专利技术还提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极CCM，包括质子交换膜和质子交换膜两侧的阳极催化层和阴极催化层，所述阳极催化层和/或阴极催化层由所述的质子交换膜燃料电池用催化剂浆料涂敷于基膜制成。
[0021]本专利技术还提供了一种膜电极，包括所述的质子交换膜燃料电池膜电极CCM。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0023]本专利技术通过对碳纳米管改性后水分散性良好，并利用碳纳米管一维结构的增益作用，有效降低了裂纹风险；本专利技术简易了浆料制备方式、干燥模式、涂布方式。采用本专利技术方法，可高效、快速制备出裂纹少的质子交换膜燃料电池电极催化层。
附图说明
[0024]图1为催化层的结构示意图。
[0025]图2为碳纳米在水中的分散1h的效果图，其中图中左边为常规碳纳米管的分散效果图，右侧为水分散性良好的碳纳米管分散效果图。
[0026]图3为碳纳米管涂布膜面的显微镜照片图。
[0027]图4为实施例1制备催化层的显微镜照片图。
[0028]图5为实施例2制备催化层的显微镜照片图。
[0029]图6为对比例1制备催化层的显微镜照片图。
[0030]图7为对比例2制备催化层的显微镜照片图。
[0031]图8为对比例3制备催化层的显微镜照片图。
[0032]图9为催化层在燃料电池膜电极应用中的极化曲线。
具体实施方式
[0033]图1为催化层的结构示意图。
[0034]实施例1
[0035]一种制备裂纹催化剂层的方法，包括以下步骤：
[0036](1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池用催化剂浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)预处理碳纳米管：将碳纳米管加入无机酸中，在120～150℃温度下进行水热反应3
‑
5h，然后洗涤干燥，得到预处理的碳纳米管；(2)将催化剂、步骤(1)中预处理的碳纳米管、全氟磺酸树脂溶液混合，然后加入溶剂，分散后获得所述质子交换膜燃料电池用催化剂浆料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管；所述无机酸为硝酸；所述硝酸浓度为68wt％。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述催化剂为铂碳催化剂，所述催化剂的铂含量为40
‑
70wt％。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述全氟磺酸树脂溶液为Aquivion D83
‑
24B、Aquivion D79
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25BS、Aquivion D72
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25BS或科慕D2020。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王胜平，张树国，冯伟民，曹寅亮，赵淑燕，范汉庆，孙钰博，范峰强，
申请(专利权)人：浙江天能氢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：