【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池膜电极开发与制备，具体涉及一种阴极催化层油墨、阴极催化层、膜电极及燃料电池。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池发电技术是氢能利用的最好方式之一，是通过氧化还原反应将氢气中化学能转化成电能。发电过程运行稳定，且无机械运动，具有转化率高，无噪音，零排放等突出优点。膜电极是燃料电池发电的核心部件，决心着燃料电池性能和寿命，主要由阴阳极催化层、质子交换膜、阴阳极扩散层组成。其中，催化层是膜电极电化学反应发生的具体场所，主要是由起催化反应的催化剂与起导质子的磺酸类离聚物组成的复杂多孔的微纳结构。
2、目前、商业化膜电极产品几乎全部都选择成熟的全氟磺酸类离聚物作为质子导体。全氟磺酸类离聚物分子链主要由主链和侧链构成。主链为氟碳结构具有强的疏水作用；侧链侧链上带有磺酸基团提供质子传导，具有一定的保水能力。全氟磺酸类离聚物的质子传导能力依赖于磺酸根的密度和水合程度。当膜电极内部湿度较低时，由于全氟磺酸类离聚物的质子传导受阻，膜电极的内阻将变大，内阻极化相应增加。当膜电极内部湿度较高时，虽然全氟磺酸类离聚物的质子传导顺畅，但是气体传输受阻，浓差极化相应增加。通常，依赖于燃料电池控制系统调节燃料电池在低电密工作时的保湿和高电密运行时的排水性能，比如氢气循环泵自增湿和3d流场强制扩散。这无疑增加了电池系统的复杂性和成本。因此，开发出合适的膜电极催化层，在电池外部低加湿或者无加湿条件下，既能在低电密工作时具有自增湿保水性能，从而保证内部质子传输，也能在高电密下具有较好的排水效果，从而保证内部气体传输，可以大大简化电池系
3、专利申请文件cn111129529a公开了共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极及其制备方法。该自增湿膜电极至少包括扩散层、催化层和全氟磺酸质子交换膜，在质子交换膜一侧设有掺杂负载磷酸的共价有机框架材料的催化层，另一侧设有含pt催化剂的催化层，扩散层贴附于催化层表面，热压固化而成，催化层粘结剂为全氟磺酸-聚四氟乙烯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种。
4、专利申请文件cn111129529a公开的自增湿膜电极，主要是通过在催化层中额外掺杂保水性的负载磷酸的共价有机框架材料，在低加湿或者无加湿条件下保证了催化层的湿润性。存在以下问题：向催化层中额外引入一种亲水性材料，一是会影响碳载铂催化剂与粘结剂树脂的包覆状态，导致催化反应三相界面减少；而且更严重的是，由于亲水物质的存在，当催化层在高电流密度工作时产生大量的水无法排出催化层，催化层处于过度润湿状态，造成催化层内部“水淹”，严重阻碍反应的进行。
5、专利申请文件cn 114094121 a公开了具有催化层水管理区的燃料电池自增湿膜电极的制备方法及其膜电极。该自增湿膜电极的制备方法，包括：亲水-疏水管理区制备；阴阳极催化层制备；质子交换膜预处理；再将具有亲水-疏水管理区的气体扩散电极分别贴合于质子交换膜两侧制得自增湿膜电极，其中，在亲水管理区添加亲水材料，在疏水管理区则添加疏水粘结剂，所设计的“田”、“口”、“回”三种形状的水管理区可以对电极内部的水分更好地分配，让质子交换膜和催化层在湿度低时充分湿润维持其质子传导能力。
6、专利申请文件cn 114094121 a公开的自增湿膜电极，具有以下缺点：一是通过向催化层亲水管理区额外引入一种亲水材料，但会带来和专利申请文件cn111129529a相同的问题。二是通过向催化层疏水管理区额外引入一种疏水粘结剂，虽然增强了催化层疏水管理区的憎水能力，一定程度上解决了催化层内部的水淹问题，但难以平衡低湿环境下保证质子传导所必要的水，同时由于添加的疏水粘结剂是电子和质子的不良导体，很容易导致催化层的电阻上升。此外疏水粘结剂ptfe难以分散，这将会造成催化剂与质子导体离聚物的包覆不均，内部质子传导不足，导致催化反应三相界面减少，降低铂的利用率。三是亲水-疏水管理区的气体扩散电极中反应活性位点极易渗入扩散层中，会严重降低铂的利用率，再者相对无数催化反应的活性位点来说，扩散电极的“田”、“口”、“回”三种形状并不能全面均匀的起到自增湿作用。
7、由此可见，相关技术主要以引入添加剂的方式单一调整催化层的保水或者憎水能力，仍无法在电池外部低加湿或者无加湿条件下，使催化层兼顾在低湿度下的自增湿保水性能和高湿度下的排水性能。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的实施例提出一种阴极催化层油墨、阴极催化层、膜电极及燃料电池，本专利技术实施例的阴极催化层油墨适用于外部低加湿或者无加湿条件下运行的燃料电池，既能保证低电密工作时阴极催化层能够自增湿保水，具有较高的质子传输能力，也能保证在高电密下工作时阴极催化层有较好的排水效果，具有较高的气体传输能力。
2、本专利技术实施例提供了一种阴极催化层油墨，包括阴极催化剂、第一全氟磺酸类离聚物、水和有机溶剂，所述第一全氟磺酸类离聚物为长侧链型全氟磺酸类离聚物和短侧链型全氟磺酸类离聚物的混合物。
3、本专利技术实施例的阴极催化层油墨带来的优点和技术效果为：
4、(1)本专利技术实施例的阴极催化层油墨兼顾了短侧链型全氟磺酸类离聚物水合能力较强和长侧链型全氟磺酸类离聚物憎水能力较强的优势，短侧链型全氟磺酸类离聚物的存在可以保证阴极催化层在低电流密度运行时的内部润湿，具有较好的质子传输能力，长侧链型全氟磺酸类离聚物的存在可以保障阴极催化层在高电流密度运行时具有优异的排水性能，具有较好的气体传输能力；
5、(2)本专利技术实施例的阴极催化层油墨适用于外部低加湿或者无加湿条件下运行的燃料电池，同时简化了燃料电池控制系统，提高了发电效率，有利于降低燃料电池系统的成本。
6、在一些实施例中，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物和所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的质量之比为1：8～8：1。
7、在一些实施例中，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物和所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的质量之比为1：5～5：1。
8、在一些实施例中，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物和所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的质量之比为1：3～3：1。
9、在一些实施例中，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物的ew值为900～1100g/cm2。
10、在一些实施例中，所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的ew值为600～800g/cm2。
11、在一些实施例中，所述阴极催化剂为碳载铂催化剂，所述第一全氟磺酸类离聚物和所述阴极催化剂中碳载体的质量之比为(0.8～1)：1。
12、在一些实施例中，所述阴极催化层油墨的固含量为8～10％。
13、本专利技术实施例还提供了一种阴极催化层油墨的制备方法，包括以下步骤：将阴极催化剂、长侧链型全氟磺酸类离聚物、短侧链型全氟磺酸类离聚物、所述水和所述有机溶剂混合均匀，制得所述阴极催化剂油墨。
14、本专利技术实施例的阴极催化层油墨的制备方法带来的优点和技本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种阴极催化层油墨，其特征在于，包括阴极催化剂、第一全氟磺酸类离聚物、水和有机溶剂，所述第一全氟磺酸类离聚物为长侧链型全氟磺酸类离聚物和短侧链型全氟磺酸类离聚物的混合物。
2.根据权利要求1所述的阴极催化层油墨，其特征在于，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物和所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的质量之比为1：8～8：1；优选地，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物和所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的质量之比为1：5～5：1；更优选地，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物和所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的质量之比为1：3～3：1。
3.根据权利要求1或2所述的阴极催化层油墨，其特征在于，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物的EW值为900～1100g/cm2。
4.根据权利要求1或2所述的阴极催化层油墨，其特征在于，所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的EW值为600～800g/cm2。
5.根据权利要求1或2所述的阴极催化层油墨，其特征在于，所述阴极催化剂为碳载铂催化剂，所述第一全氟磺酸类离聚物和所述阴极催化剂中碳载体的质量之比为(0.8～1)：1。
6.根据权利要
7.根据权利要求1-6任一项所述的阴极催化层油墨的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将阴极催化剂、长侧链型全氟磺酸类离聚物、短侧链型全氟磺酸类离聚物、所述水和所述有机溶剂混合均匀，制得所述阴极催化剂油墨。
8.一种阴极催化层，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述的阴极催化层油墨涂敷至基底膜表面得到。
9.一种膜电极，包括阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层，其特征在于，所述阴极催化层为权利要求8所述的阴极催化层。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求9所述的膜电极。
...【技术特征摘要】
1.一种阴极催化层油墨，其特征在于，包括阴极催化剂、第一全氟磺酸类离聚物、水和有机溶剂，所述第一全氟磺酸类离聚物为长侧链型全氟磺酸类离聚物和短侧链型全氟磺酸类离聚物的混合物。
2.根据权利要求1所述的阴极催化层油墨，其特征在于，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物和所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的质量之比为1：8～8：1；优选地，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物和所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的质量之比为1：5～5：1；更优选地，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物和所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的质量之比为1：3～3：1。
3.根据权利要求1或2所述的阴极催化层油墨，其特征在于，所述长侧链型全氟磺酸类离聚物的ew值为900～1100g/cm2。
4.根据权利要求1或2所述的阴极催化层油墨，其特征在于，所述短侧链型全氟磺酸类离聚物的ew值为600～800g/cm2。
5.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：王顺忠，庄仲滨，陈威，王力南，曹雅丽，崔丽瑞，赵维，周明正，
申请(专利权)人：国家电投集团氢能科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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