一种提升燃料电池催化层耐久性的方法技术

本发明专利技术提供一种提升燃料电池催化层耐久性的方法，将催化剂与电解水催化材料、Nafion溶液和分散剂通过分散方式配制成成分均匀的浆料，采用所述浆料在质子交换膜表面通过喷涂、涂覆或者转印的方式制备催化层。本发明专利技术的技术方案从浆料配方角度优化催化层耐久性，具有工艺简单，普适性高等特点。普适性高等特点。普适性高等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种提升燃料电池催化层耐久性的方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体而言，尤其涉及一种提升燃料电池催化层耐久性的方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是一种利用氢气和氧气发生反应，能直接将化学能转化为电能，具有高效、清洁、无污染等特点。然而，当前燃料电池商业化发展主要是受到成本以及使用寿命的制约，膜电极作为质子交换膜燃料电池的关键部件，在其中起到了最为关键作用。膜电极主要由质子交换膜、催化层、气体扩散层组成，在这之中，催化层的衰减占据了主要因素。因此，如何提升催化层的耐久性具有重要价值。
[0003]催化层在燃料电池阴极氧还原条件下，尤其是动电位循环工况，铂基纳米颗粒会发生溶解、团聚；另一方面，在起停过程，阴极电势升高，碳载体容易发生氧化反应，碳载体会发生腐蚀甚至结构坍塌，造成负载的Pt纳米颗粒脱落失效作为碳载体反应的竞争反应，水电解反应的发生可以有效的抑制碳载体的氧化腐蚀，电解水催化剂具有促进水电解的功能，在质子交换膜燃料电池的阴极加入电解水催化剂可以促进水分子氧化反应的发生，以达到提高电池耐久性目的，但是现有技术通常是将电解水催化剂在催化剂制备过程中直接加入的，因此会占据催化剂的活性位点，导致催化层的性能受到影响；现有的提升催化层耐久性的方法中，如专利CN115312795A提供了一种金属铱修饰铂碳催化剂的方法，该方法适用于催化剂的合成，解决了催化剂的耐久性问题，但是无法针对已有催化剂浆料进行优化，普适性较低，而且现有的电解水催化剂浆料存在制造工序复杂，且容易导致膜电极性能降低的问题。

技术实现思路

[0004]根据上述提出现有的提升催化层耐久性的方法存在的技术问题，而提供一种提升燃料电池催化层耐久性的方法，从浆料配方角度优化催化层耐久性，具有工艺简单，普适性高等特点。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种提升燃料电池催化层耐久性的方法，将催化剂与电解水催化材料、Nafion溶液和分散剂通过分散方式配制成成分均匀的浆料，采用所述浆料在质子交换膜表面通过喷涂、涂覆或者转印的方式制备催化层。
[0007]进一步地，所述催化剂为铂碳催化剂、石墨化的铂碳催化剂或者在碳载体上形成有包含过渡金属和氮的过渡金属组合物，其中过渡金属采用铜、银、钒、铬、钼、钨、锰、钴、镍、铈中的一种或多种。
[0008]进一步地，所述电解水催化材料包括Ru、Ir、Co、Ni、Ta、Re、Sn、Sb以及各元素的氧化物中的一种或几种的掺杂复合物。
[0009]进一步地，所述电解水催化材料中的金属元素含量为50％
‑
90％，粒径为2
‑
20nm。
[0010]进一步地，所述浆料中，所述催化剂中铂含量与所述电解水催化剂材料的质量比为1：0.01～10。
[0011]进一步地，所述浆料中，所述催化剂中碳含量与所述Nafion溶液中固体含量的质量比为1：0.1～1。
[0012]进一步地，所述分散剂为水、甲醇、异丙醇、正丙醇、叔丁醇和乙醇中的至少一种。
[0013]进一步地，所述分散方式为机械搅拌、磁子搅拌、剪切搅拌、球磨搅拌或砂磨搅拌中的至少一种。
[0014]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0015]1、本专利技术提供的提升燃料电池催化层耐久性的方法，制备的催化层，可以大幅提升催化层载体耐久性，性能衰减可提升约68％，电化学活性面积衰减提升30％，且对膜电极的性能无影响，大大提升膜电极使用寿命，且成本较低；同时具有抗反极功能，可以提升抗反极时间，进而提升燃料电池催化层的耐久性。
[0016]2、本专利技术提供的提升燃料电池催化层耐久性的方法，与现有技术相比，适用于成熟的催化剂产品，而且，电解水催化材料的加入对催化剂性能无影响，这是因为电解水催化材料是在催化剂制成后加入的，加入量较少，不会影响催化剂的活性位点，进而影响催化反应，同时，本专利技术提供的方法在催化剂制成后加入电解水催化材料，还能够省去催化剂制备过程的工序，整体操作工艺简单，适用性强，克服了催化剂制造工序复杂，且容易导致膜电极性能降低的弊端。
[0017]基于上述理由本专利技术可在燃料电池领域广泛推广。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为采用本专利技术所述方法制备了催化层的质子交换膜结构示意图。
[0020]图2为比较例与实施例1、实施例2膜电极性能曲线。
[0021]图3为比较例与实施例1、实施例2膜电极载体耐久性对比图。
[0022]图4为比较例与实施例1、实施例2膜电极抗反极曲线对比图。
[0023]图中：1、阳极催化层；2、电解水催化材料；3阴极催化层；4、质子交换膜。
具体实施方式
[0024]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0025]如图1所示，本专利技术提供了一种提升燃料电池催化层耐久性的方法，将催化剂(已
经制成的)与电解水催化材料、Nafion溶液和分散剂通过分散方式配制成成分均匀的浆料，采用所述浆料在质子交换膜表面通过喷涂、涂覆或者转印的方式制备催化层，然后通过热压的方式，与气体扩散层、聚酯边框组装成膜电极组件。
[0026]进一步地，所述催化剂为铂碳催化剂、石墨化的铂碳催化剂或者在碳载体上形成有包含过渡金属和氮的过渡金属组合物，其中过渡金属采用铜、银、钒、铬、钼、钨、锰、钴、镍、铈中的一种或多种。
[0027]进一步地，所述电解水催化材料包括Ru、Ir、Co、Ni、Ta、Re、Sn、Sb以及各元素的氧化物中的一种或几种的掺杂复合物。
[0028]进一步地，所述电解水催化材料中的金属元素含量为50％
‑
90％，粒径为2
‑
20nm，剩余含量为其他元素或者是附着的载体成分。
[0029]进一步地，所述浆料中，所述催化剂中铂含量与所述电解水催化剂材料的质量比为1：0.01～10。
[0030]进一步地，所述浆料中，所述催化剂中碳含量与所述Nafion溶液中固体含量的质量比为1：0.1～1。
[0031]进一步地，所述分散剂为水、甲醇、异丙醇、正丙醇、叔丁醇和乙醇中的至少一种。
[0032]进一步地，所述分散方式为机械搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升燃料电池催化层耐久性的方法，其特征在于，将催化剂与电解水催化材料、Nafion溶液和分散剂通过分散方式配制成成分均匀的浆料，采用所述浆料在质子交换膜表面通过喷涂、涂覆或者转印的方式制备催化层。2.根据权利要求1所述的提升燃料电池催化层耐久性的方法，其特征在于，所述催化剂为铂碳催化剂、石墨化的铂碳催化剂或者在碳载体上形成有包含过渡金属和氮的过渡金属组合物，其中过渡金属采用铜、银、钒、铬、钼、钨、锰、钴、镍、铈中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的提升燃料电池催化层耐久性的方法，其特征在于，所述电解水催化材料包括Ru、Ir、Co、Ni、Ta、Re、Sn、Sb以及各元素的氧化物中的一种或几种的掺杂复合物。4.根据权利要求3所述的提升燃料电池催化层耐久性的方法，其特征在于，所述电解水催化材料中的金属元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩志佳，李光伟，罗赛，王强，许亭，韩雪，李雯琪，于鸣琦，邢丹敏，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：