一种燃料电池催化层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种燃料电池催化层及其制备方法。所述制备方法为：富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料交替喷涂形成层间结构的燃料电池催化层；所述富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料均包括催化剂、全氟磺酸离聚物以及分散剂，所述分散剂为水和挥发性醇的混合溶剂；所述富水催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为5～30％；所述富醇催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为60～95％。该方法能够发挥出富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料各自的优势，使得制备的催化层既具有一定的大孔结构用于传质，又具备良好的质子传导能力，从而使得燃料电池的输出性能最优化。而使得燃料电池的输出性能最优化。而使得燃料电池的输出性能最优化。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池催化层及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池催化层及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池能够实现将化学能转换为电能，其具有能量转换效率高，产物无污染等优点，可用作汽车动力源、移动电源以及固定电站。作为电化学反应发生的场所，催化层的结构决定着质子交换膜燃料电池的输出性能、稳定性以及耐久性。目前，催化层主要通过催化剂浆料前驱体进行制备，其中浆料分散剂一般为醇类或者水/醇混合溶剂。富水的催化剂浆料有助于在催化层产生更多的大孔，从而利于反应物和产物的运输。然而，富水的催化剂浆料所形成的催化层具有较差的质子传导能力，导致电池性能不理想。富醇的催化剂浆料则与之相反，其制得的催化层具有更少的大孔结构，不利于传质，但具有优异的质子传导能力。尽管选用一个适中的水/醇比例可以一定程度上平衡孔结构和质子传导之间的矛盾，但富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料各自所具备的优势也随之被削弱，难以将它们的优势最大化。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种燃料电池催化层及其制备方法，该方法能够发挥出富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料各自的优势，使得制备的催化层既具有一定的大孔结构，又具备良好的质子传导能力，从而使得燃料电池的输出性能最优化。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种燃料电池催化层的制备方法，所述制备方法为：富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料交替喷涂形成层间结构的燃料电池催化层；
[0006]所述富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料均包括催化剂、全氟磺酸离聚物以及分散剂，所述分散剂为水和挥发性醇的混合溶剂；
[0007]所述富水催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为5～30％；
[0008]所述富醇催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为60～95％。
[0009]基于以上技术方案，优选地，所述富水催化剂浆料的出料量与富醇催化剂浆料的出料量比值为1～3:1。
[0010]基于以上技术方案，优选地，所述富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料中，催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量分数均为0.1～3％。
[0011]基于以上技术方案，优选地，所述催化剂包括碳载体和催化活性物质，所述碳载体与全氟磺酸离聚物的质量比为1：0.3～1.2，所述催化剂中，催化活性物质的质量百分含量为10～70％。
[0012]基于以上技术方案，优选地，所述碳载体为Ketjen Black、Vulcan XC
‑
72、BP2000中的一种，所述催化活性物质为Pt、PtCo、PtIr、PtPd、PtRu、PtAu中的一种。
[0013]基于以上技术方案，优选地，所述全氟磺酸离聚物为Nafion、3M、Aquivion中的一
种。
[0014]基于以上技术方案，优选地，所述挥发性醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或至少两种的混合物。
[0015]本专利技术还提供一种燃料电池的膜电极，包括质子交换膜、气体扩散层、聚酯框和催化层，所述催化层为上述制备方法制得的催化层。
[0016]基于以上技术方案，优选地，所述催化层中Pt在阴阳极的担载量均为0.05～0.4mg/cm2。
[0017]本专利技术还提供一种燃料电池，包括上述膜电极。
[0018]本专利技术的有益效果为：
[0019](1)本专利技术的制备方法能够很好的发挥出富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料各自的优势，使得所制备出的催化层既具有一定的孔结构，又具备良好的质子传导能力；由富水催化剂浆料形成的催化层具有较大的孔径和较多的大孔体积，能够为反应物和产物提供运输通道，富醇催化剂浆料形成的催化层则提供良好的质子传导能力。因此，富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料两者的结合保证了催化层中质子和反应物的及时供给，同时又使得生成的产物水能够及时排出，有效缓解燃料电池的水淹，从而能够大幅度提高燃料电池的输出性能。
[0020](2)本专利技术的制备方法相对简单，可对现有喷涂工艺进行改良，从而实现大规模生产，有利于燃料电池的商业化。
附图说明
[0021]图1为本专利技术制备方法的示意图；
[0022]图中：1、第一层富醇催化剂浆料层，2、第一层富水催化剂浆料层，3、第二层富醇催化剂浆料层，4、第二层富水催化剂浆料层，5、第三层富醇催化剂浆料层，6、第三层富水催化剂浆料层，7、第四层富醇催化剂浆料层，8、第四层富水催化剂浆料层；
[0023]图2为本专利技术对比例1
‑
3和实施例1的催化层孔径分布图；
[0024]图3为本专利技术对比例1
‑
3和实施例1的膜电极催化层质子传导电阻图；
[0025]图4为本专利技术对比例1
‑
3和实施例1的膜电极在氢空条件下的极化曲线图。
具体实施方式
[0026]现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。
[0027]具体操作过程如下：
[0028]以下所有实施例及对比例中，阳极侧催化剂浆料的配制参数为：40wt.％Pt含量的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚物与催化剂碳载体的质量比为0.65：1，全氟磺酸离聚物采用Nafion，分散剂为水和异丙醇的混合溶剂，其中异丙醇的质量百分含量为50％，碳载铂催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量分数为1％。
[0029]将分散好的阳极催化剂浆料装入一个喷枪中，将其喷涂到质子交换膜上制备得到阳极催化层，其中阳极催化层的Pt担载量为0.2mg/cm2。
[0030]对比例1
[0031]阴极侧催化剂浆料的配制参数为：40wt.％Pt含量的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚
物与催化剂碳载体的质量比为0.65：1，全氟磺酸离聚物采用Nafion，分散剂为水和异丙醇的混合溶剂，其中异丙醇的质量百分含量为20％，碳载铂催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量分数为1％。
[0032]将分散好的催化剂浆料装入一个喷枪中，将其喷涂到质子交换膜上制备得到阴极催化层。其中阴极催化层的Pt担载量为0.1mg/cm2，最后与气体扩散层热压得到膜电极。
[0033]对比例2
[0034]阴极侧催化剂浆料的配制参数为：40wt.％Pt含量的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚物与催化剂碳载体的质量比为0.65：1，全氟磺酸离聚物采用Nafion，分散剂为水和异丙醇的混合溶剂，其中异丙醇的质量百分含量为80％，碳载铂催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量分数为1％。
[0035]将分散好的催化剂浆料装入一个喷枪中，将其喷涂到质子交换膜上制备得到阴极催化层。其中阴极催化层的Pt担载量为0.1mg/cm2，最后与气体扩散层热压得到膜电极。
[0036]对比例3
[0037]阴极侧催化剂浆料的配制参数为：40wt.％Pt含量的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚物与催化剂碳载体的质量比为0.65：1，全氟磺酸离聚物采用Nafion，分散剂为水和异丙醇的混合本文档来自技高网...

【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，所述制备方法为：富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料交替喷涂形成层间结构的燃料电池催化层；所述富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料均包括催化剂、全氟磺酸离聚物以及分散剂，所述分散剂为水和挥发性醇的混合溶剂；所述富水催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为5～30％；所述富醇催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为60～95％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述富水催化剂浆料的出料量与富醇催化剂浆料的出料量之比为1～3:1。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料中，催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量分数均为0.1～3％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂包括碳载体和催化活性物质，所述碳载体与全氟磺酸离聚物的质量比为1：0.3～1.2，所述催化剂中，催化活性物质的质量百分含量为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵志刚，任红，孟祥超，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：