一种燃料电池催化层的制备方法及催化层及应用技术

本发明专利技术涉及燃料电池领域，提供一种燃料电池催化层的制备方法，包括以下步骤：S1、混合全氟磺酸离聚物和低极性的分散溶剂A，分散，得到全氟磺酸分散液A；S2、混合全氟磺酸离聚物和高极性的分散溶剂B，分散，得到全氟磺酸分散液B；S3、称取催化剂，去离子水，全氟磺酸分散液A进行混合分散，随后在真空环境中干燥，自然冷却降温，研磨均匀，即得离聚物修饰的催化剂粉末。S4、将步骤S3得到催化剂粉末和全氟磺酸分散液B进行混合，分散，得到催化剂浆料，将催化剂浆料涂覆于质子交换膜得到涂覆的催化层。本发明专利技术的优点是：本发明专利技术的催化层制备方法在不引入其他物质的情况下，减少了反应气体的传输阻力，提高膜电极的性能。提高膜电极的性能。提高膜电极的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池催化层的制备方法及催化层及应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，更具体地，涉及一种燃料电池催化层的制备方法及催化层及应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是通过氢和氧的电化学反应产生电能的转化装置，与其他技术相比，具有环境友好，能量转化效率高，运行条件温和等优势。膜电极是质子交换膜燃料电池中发生电化学反应的关键部件，是由质子交换膜、阴阳极催化层及两侧的气体扩散层组成。而膜电极的性能高低主要取决于催化层的微观结构，因为它控制着电子、质子、反应物和生成物的传输特性，尤其是发生氧还原反应的阴极催化层。催化层是由碳负载催化剂(一般为碳负载的铂)、离子聚合物组成的具有微纳米尺度的微孔结构，其中，覆盖在催化剂表面的离子聚合物主要为反应气体(氧气/氢气)、质子传输提供扩散路径和通道。
[0003]目前，广泛用作燃料电池中的离子聚合物以全氟磺酸离子聚合物为典型代表，这类离子聚合物由具有极疏水的刚性聚四氟乙烯主链和带有磺酸基团的全氟乙烯醚侧链组成。通常，催化剂油墨的常规制备方法是将润湿的催化剂、离子聚合物、溶剂等直接混合后进行分散处理。然而，离子聚合物紧密分布在催化剂周围时，会阻挡反应气体(氧气)的传输，增大反应气体到达催化剂的传输阻力，降低膜电极高电密下的性能。同时致密的离子聚合物与催化剂直接接触时，离子聚合物侧链尾端磺酸基团(
‑
SO3H)会通过氧原子特异性吸附于Pt表面，造成对催化剂的毒化作用，降低催化剂的利用率，也导致膜电极的性能下降。
[0004]针对上述问题，中国专利CN113314722A利用高位阻醇类化合物的羟基能与全氟磺酸离子聚物的磺酸基团间发生强相互作用的特性，在离聚物的磺酸基团周围构建高位阻醇类化合物的“可逆阻隔层”，减少了离聚物与催化剂表面Pt粒子的直接接触，从而减轻磺酸基团对Pt的毒化作用，提升燃料电池膜电极的性能。中国专利CN114361488A则利用采用巯基化合物先对催化剂表面的Pt位点进行占据，降低了在后续催化剂浆料制备过程中Nafion离子聚合物的磺酸基团对Pt毒化作用，随后通过电化学活化的方法去除巯基化合物，达到提高膜电极性能的目的。尽管这些方法一定程度上能够缓解催化剂表面活性位点中毒，但额外引入这些物质可能会和催化剂发生缔合作用，导致催化活性位点被占据或催化层微孔被堵塞，减少三相界面的形成。因此，研究一种方法以达到通过直接调控离子聚合物在催化剂表面的形态结构及分布来降低离聚物对催化剂表面Pt粒子的毒化效应，同时减少氧气传输阻力，对于提高膜电极的性能具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种燃料电池催化层的制备方法，用于减弱离聚物对催化剂的毒化作用，降低气体传输阻力，提高膜电极的性能。本专利技术的一个目的是提供一种燃料电池催化层的制备方法，包括以下步骤：S1、混
合全氟磺酸离聚物和低极性的分散溶剂A，分散，得到全氟磺酸分散液A；S2、混合全氟磺酸离聚物和高极性的分散溶剂B，分散，得到全氟磺酸分散液B；S3、将催化剂和全氟磺酸分散液A混合，分散，固化处理，制备成离聚物修饰的催化剂粉末；将催化剂粉末与全氟磺酸分散液B进行混合，分散，得到催化剂浆料；S4、将步骤S3得到的催化剂浆料涂覆于质子交换膜，得到涂覆的催化层。
[0006]在本技术方案中，所述全氟磺酸离聚物为Nafion、3M、Aquivion、东岳、AGC中的一种或多种，离子交换当量为700～1000g/moL；步骤S1中的分散是指将全氟磺酸离聚物在分散溶剂A中混合均匀；步骤S2中的分散是指将全氟磺酸离聚物在分散溶剂B中混合均匀；步骤S3中的催化剂和全氟磺酸分散液A和全氟磺酸分散液B通过分散混合均匀；所述催化剂粉末与全氟磺酸分散液B通过分散混合均匀。所述步骤S3中的分散处理可以为超声分散、高速剪切分散、球磨分散的一种，其分散时间、功率、转速等可根据催化剂浆料的粒径而定；所述固化处理是指将全氟磺酸离聚物进一步固定在催化剂表面，防止在后续分散过程中被破坏；步骤S3中所述催化剂浆料的固含量范围为5～15wt％。
[0007]现有技术中，通常是将催化剂和离聚物等直接混合后进行分散处理，导致最终得到的催化层中离子聚合物分布不均匀，侧链磺酸基团堆积处严重毒化催化剂的活性位点。
[0008]在本技术方案中，全氟磺酸离聚物在低极性的分散溶剂A中混合形成胶状的全氟磺酸分散液A，胶状的全氟磺酸离聚物包覆在催化剂周围，由于离聚物在低极性的溶剂中的主链迁移率较高，而侧链的磺酸集团互相排斥，使催化剂表面形成分布均匀且结构疏松的第一层全氟磺酸离聚物，其疏松的结构为反应气体通过全氟磺酸离聚物达到催化剂表面提供足够的通道空间，同时，由于全氟磺酸离聚物呈现胶状，不会随着溶剂的挥发而发生构相变化及堆叠。
[0009]而全氟磺酸离聚物在高极性的分散溶剂B中混合形成溶液状的全氟磺酸分散液B，由于离聚物在高极性溶剂中的主链迁移率较低，主链缠绕，从而在催化剂表面形成网络结构的第二层全氟磺酸离聚物，为催化层提供优异的机械性能以及连续的质子传导相；如此，本申请中通过构建结构疏松的第一层全氟磺酸离聚物和网络结构的第二层全氟磺酸离聚物，提高了全氟磺酸离聚物在催化剂表面的分布均匀性，降低了磺酸根基团对催化剂的毒化作用，同时降低了气体传输的阻碍，使反应气体能够容易通过全氟磺酸离聚物达到催化剂表面，也为反应物提供足够的传导性能，从而提高膜电极的性能。
[0010]进一步的，步骤S3具体为：先混合全氟磺酸分散液A和催化剂，在低温环境下进行分散，得到预备催化剂浆料；将预备催化剂浆料真空干燥，冷却，研磨，得到离聚物修饰的催化剂粉末；将离聚物修饰的催化剂粉末、全氟磺酸分散液B和分散溶剂C依次进行混合，在低温环境下分散，得到最终的催化剂浆料。
[0011]在本技术方案中，加入分散溶剂C进一步使全氟磺酸分散液B中形成的网络结构的全氟磺酸离聚物在催化剂表面均匀分布，分散溶剂C为水、乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或多种的混合溶剂；当分散溶剂C为混合溶剂时，分散溶剂C可根据实际需求调整多种混合物之间的配比，以达到最佳分散效果。所述修饰的催化剂粉末为被全氟磺酸离聚物修饰的催化剂粉末，即催化剂表面构建了第一层全氟磺酸离聚物。将预备催化剂浆料真空加热干燥的目的是为了固化包覆在催化剂表面的胶状全氟磺酸离聚物并去除高沸点的低极性溶剂，保障在催化剂表面形成的疏松的第一层全氟磺酸离聚物的稳定性；在第一层全氟磺酸离聚
物的基础上进行第二层网状结构的全氟磺酸离聚物的构建，即在疏松的第一层全氟磺酸离聚物架构下，第二层全氟磺酸离聚物分布时被分散开，使其不会堆积在一起，结合其网络结构，如此有利于提高其分布的均匀性。
[0012]进一步的，所述低温环境的温度为不超过15℃，所述预备催化剂浆料中催化剂的平均粒径范围为1～3μm；所述催化剂浆料中催化剂的平均粒径范围为1～3μm。
[0013]在本技术方案中，所述不超过15℃的范围是在本领域技术人员能够理解的状态下进行，一般情况本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、混合全氟磺酸离聚物和低极性的分散溶剂A，分散，得到全氟磺酸分散液A；S2、混合全氟磺酸离聚物和高极性的分散溶剂B，分散，得到全氟磺酸分散液B；S3、将催化剂和全氟磺酸分散液A混合，分散，固化处理，制备成离聚物修饰的催化剂粉末；将离聚物修饰的催化剂粉末与全氟磺酸分散液B进行混合，分散，得到催化剂浆料；S4、将步骤S3得到的催化剂浆料涂覆于质子交换膜，得到涂覆的催化层。2.根据权利要求1所述的燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，步骤S3具体为：先混合全氟磺酸分散液A和催化剂，在低温环境下进行分散，得到预备催化剂浆料；将预备催化剂浆料真空干燥，冷却，研磨，得到离聚物修饰的催化剂粉末；将离聚物修饰的催化剂粉末、全氟磺酸分散液B和分散溶剂C依次进行混合，在低温环境下分散，得到最终的催化剂浆料。3.根据权利要求2所述的燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述低温环境的温度为不超过15℃，所述预备催化剂浆料中催化剂的平均粒径范围为1～3μm；所述催化剂浆料中催化剂的平均粒径范围为1～3μm。4.根据权利要求2所述的燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述将预备催化剂浆料加热干燥的方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑冬勇，赵明全，莫善云，梁景棠，杨云松，叶思宇，邹渝泉，唐军柯，孙宁，吴力杰，
申请(专利权)人：鸿基创能科技广州有限公司，
类型：发明
国别省市：