一种诱导水分布的阳极催化层制备方法技术

本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，具体是一种诱导水分布的阳极催化层制备方法，包括以下步骤：将水与异丙醇混合溶剂，加入疏水铂基催化剂和离子树脂后进行预分散，得到中间浆料；将亲水碳纤维(CF)负载的抗反极助剂IrO2/CF加入预磨浆料中进行二次分散，得到最终浆料；将最终浆料涂布在PTFE基底上，干燥后得到阳极催化层；将商业催化剂与离子树脂混合在水醇溶剂中，分散后得到阴极浆料，涂布在PTFE基底上，干燥后得到阴极催化层；将催化层转印在质子膜两侧，得到膜电极，本申请可以驱离液态水离开铂的活性区域、分布在由IrO2/CF搭接成的传质条件优越的大孔隙亲水区域，不仅为抗反极提供液态水，也防止低温结冰对Pt/C电化学活性区域的损伤。损伤。损伤。

【技术实现步骤摘要】
一种诱导水分布的阳极催化层制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体是一种诱导水分布的阳极催化层制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池在运行过程中，会有大量的水参与电池系统的物化过程。水状态对电池的影响涉及多个方面，例如低温条件下，水的相变会影响电池性能；反极过程中，水的离解影响了碳载体腐蚀过程。因此控制水分布对电池催化层设计具有重要意义。
[0003]在反极状态下，抗反极助剂催化水电解反应，延缓了碳载体的腐蚀过程。如果阳极的水含量过低，则抗反极助剂的作用被限制，碳载体就会加速腐蚀。目前优化抗反极作用的方法主要是设计新型的抗反极助剂及其载体，难以从催化层结构设计的角度来增强抗反极效果。低温条件下，膜电极内的水结冰，会阻塞膜电极的传质路径、冻结质子通道、改变应力分布，对膜电极性能造成负面影响。目前，解决低温启动、运行的方法主要基于对系统和工况的控制策略，包括内部加热、外部加热、停机吹扫。但是，这些方法均是对结冰问题的被动解决方法，没能从膜电极层面上直接干预冰的生成过程，增强膜电极的低温适应性，因此，针对以上现状，迫切需要开发一种诱导水分布的阳极催化层制备方法，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种诱导水分布的阳极催化层制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种诱导水分布的阳极催化层制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：将水与异丙醇混合溶剂，加入疏水铂基催化剂和离子树脂后进行预磨，得到中间浆料；
[0008]步骤二：将亲水抗反极助剂IrO2/CF加入中间浆料中进行二次球磨，得到最终浆料；
[0009]步骤三：将最终浆料涂布在PTFE基底上，干燥后得到阳极催化层；
[0010]步骤四：将商业催化剂与离子树脂混合在水醇溶剂中，球磨后得到阴极浆料，涂布在PTFE基底上，干燥后得到阴极催化层；
[0011]步骤五：将催化层转印在质子膜两侧，得到膜电极。
[0012]作为本专利技术进一步的方案：步骤一中，疏水铂基催化剂的合成包括以下步骤：在疏水的碳载体上负载纳米铂基颗粒，得到疏水铂基催化剂。
[0013]作为本专利技术进一步的方案：所述疏水碳载体的制备包括以下步骤：取10g碳载体，在氢气气氛下，500℃煅烧3小时，得到疏水的碳载体。
[0014]作为本专利技术进一步的方案：步骤三中，亲水抗反极助剂IrO2/CF的制备包括以下步骤：在亲水碳纤维上载纳米氧化铱。
[0015]作为本专利技术进一步的方案：所述亲水碳纤维的制备包括以下步骤：取10g直径在50
‑
100nm范围内的碳纤维，加入30ml30％的双氧水混合搅拌2小时；在空气气氛下150℃热处理3小时,处理后的碳纤维与硝酸
‑
硫酸按3:1混合，90℃回流60小时；最后将碳纤维洗涤、过滤，得到亲水碳纤维。
[0016]作为本专利技术进一步的方案：疏水铂基催化剂中铂含量在40％
‑
50％之间，亲水抗反极助剂IrO2/CF中氧化铱的含量占助剂总质量的10％
‑
15％。
[0017]作为本专利技术进一步的方案：预磨浆料中，I/C的值在0.3
‑
0.8之间(I/C＝离子树脂质量/催化剂中碳质量)，固含量在4
‑
5％之间。
[0018]作为本专利技术进一步的方案：最终阳极浆料中，IrO2/CF质量约为Pt/C的1/3
‑
1/4。
[0019]作为本专利技术进一步的方案：阴极浆料中，采用商业催化剂，I/C的值在0.4
‑
1之间，固含量在4
‑
10％之间。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0021]本专利技术设计了一种诱导水分布的催化层结构及其制造方法，对于整体均匀的催化层，由于使用不同的碳材料，制造出亲水性不同的微观区域。用于载铂的疏水的碳颗粒可以驱离液态水离开铂的活性区域、转而集中分布在传质条件优越的大孔隙亲水区域，防止水对气体传质过程的影响；用于载抗反极功能助剂的亲水的碳纤维碳，可以吸收水分，为抗反极反应提供所需的液态水；这样，液态水在不含铂催化剂的亲水区凝固，降低了结冰对电池性能的影响。其三，亲水区域为碳纤维搭接的大孔结构，能够容纳更多的冰，提升电池低温寿命。
附图说明
[0022]图1为实施例1
‑
4与对比例1的反极测试结果图。
[0023]图2为实施例1
‑
4与对比例1的低温循环测试结果图。
具体实施方式
[0024]下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
[0025]下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
[0026]实施例1
[0027]一种诱导水分布的阳极催化层制备方法，包括以下步骤：
[0028]步骤一：将不做碳纤维亲水处理的IrO2/CF加入到含有铂基催化剂的中间浆料中进行球磨，得到最终浆料，但所用铂基催化剂的XC
‑
72碳载体不经过疏水处理；
[0029]步骤二：将最终浆料涂布在PTFE基底上，干燥后得到阳极催化层；
[0030]步骤三：将商业催化剂与离子树脂混合在水醇溶剂中，球磨后得到阴极浆料，涂布在PTFE基底上，干燥后得到阴极催化层；
[0031]步骤四：将催化层转印在质子膜两侧，得到膜电极。
[0032]其中，膜电极阳极铂载量0.01
‑
0.07mg/cm2；阴极铂载量0.1
‑
0.4mg/cm2。
[0033]实施例2
[0034]一种诱导水分布的阳极催化层制备方法，包括以下步骤：
[0035]步骤一：将做亲水处理的IrO2/CF加入到含有铂基催化剂的中间浆料中进行球磨，得到最终浆料，但所用铂基催化剂的XC
‑
72碳载体不经过疏水处理；
[0036]步骤二：将最终浆料涂布在PTFE基底上，干燥后得到阳极催化层；
[0037]步骤三：将商业催化剂与离子树脂混合在水醇溶剂中，球磨后得到阴极浆料，涂布在PTFE基底上，干燥后得到阴极催化层；
[0038]步骤四：将催化层转印在质子膜两侧，得到膜电极。
[0039]其中，膜电极阳极铂载量0.01
‑
0.07mg/cm2；阴极铂载量0.05
‑
0.4mg/cm2。
[0040]实施例3
[0041]一种诱导水分布的阳极催化层制备方法，包括以下步骤：
[0042]步骤一：将水与异丙醇混合溶剂，加入疏水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种诱导水分布的阳极催化层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将水与异丙醇混合溶剂，加入疏水处理的铂基催化剂、离子树脂进行预磨，得到中间浆料；步骤二：将亲水处理的碳纤维负载的抗反极助剂IrO2/CF加入中间浆料中进行二次球磨，得到最终浆料；步骤三：将最终浆料涂布在PTFE基底上，干燥后得到阳极催化层；步骤四：将商业铂基催化剂与离子树脂混合在水醇溶剂中，球磨后得到阴极浆料，涂布在PTFE基底上，干燥后得到阴极催化层；步骤五：将阴阳极催化层分别转印在质子膜两侧，得到膜电极。2.根据权利要求1所述的诱导水分布的阳极催化层制备方法，其特征在于，步骤一中，疏水铂基催化剂的合成包括以下步骤：在疏水的载体上负载纳米铂基颗粒，得到疏水铂基催化剂。所谓纳米铂基颗粒包括但不限于粒径在2
‑
7nm之间的Pt颗粒、Pt合金颗粒。铂基催化剂指负载上述纳米铂基颗粒的碳载催化剂。3.根据权利要求2所述的诱导水分布的阳极催化层制备方法，其特征在于，所述疏水碳载体的制备包括以下步骤：取10g碳材料，在氢气气氛下，500℃煅烧3小时，得到疏水的碳载体。碳载体包括但不限于XC
‑
72、石墨烯、乙炔黑、高比...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟，朱凤鹃，王立平，陈婷婷，王超，
申请(专利权)人：上海唐锋能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：