[發明專利]一種燃料電池催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 201410014110.3
• 申請日: 2014-01-13
• 公開（公告）號: CN103769086A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 程立明;魏廣科
• 申請（專利權）人: 江蘇綠遙燃料電池系統制造有限公司
• 主分類號: B01J23/42
• 分類號: B01J23/42;B01J23/46;B01J37/34;H01M4/88
• 代理公司: 北京天平專利商標代理有限公司 11239
• 代理人: 王雅輝

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種燃料電池催化劑的制備方法。

背景技術

燃料電池作為一種高效、環境友好的發電裝置，在基站電源、中小型電站、電動車、備用電源、便攜電源等方面，具有廣闊的應用前景。燃料電池可以分為質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融鹽燃料電池、微生物燃料電池、生物燃料電池等。燃料電池主要由端板、集電板、雙極板、膜電極等組成，其中膜電極是燃料電池的核心部件，催化劑是膜電極的心臟部分。目前比較成熟的催化劑主要是以碳粉為載體，負載金屬鉑。

專利CN102389823B首先通過溴基化和磺酸基化將具有質子傳導能力的磺酸集團引入到碳納米管上，使碳納米管同時具有質子和電子傳導能力，然后用化學還原的方法將鉑納米粒子沉積在碳納米管上，使每個鉑粒子都處于燃料電池反應的三相界面上，從而達到提高燃料電池催化劑利用率、降低鉑載量的目的。但碳納米管的溴基化和磺基化過程復雜，反應過程難以定量控制。

專利CN102810677A中記載了將Vulcan?XC-72R炭黑為載體的載Pt催化劑(催化劑1)和Ketien炭黑為載Pt催化劑(催化劑2)混合使用，增加了常規Pt/C(Vulcan?XC-72R炭黑)催化劑的比表面積，提高了催化劑活性。但所添加的Pt/C(Ketien炭黑)催化劑所使用的Ketien炭黑載體比表面積大，粒徑小，分散困難，催化層中有效反應區域所占的比例更低，貴金屬的利用率也更低，同時催化劑也更易遷移和團聚，隨著電化學反應的進行，催化劑的催化效果逐漸減弱，電池效率逐漸降低。

碳粉也是燃料電池中的常用載體，目前采用碳粉為載體主要有以下缺點：

(1)金屬鉑顆粒與碳載體附著力會隨之電池的使用而降低，最終導致催化劑團聚現象的發生，致使膜電極壽命的減少；

(2)碳載體的耐電化學腐蝕性能會隨著電池的使用越來越弱，最后碳載體被電化學腐蝕掉，導致催化層塌陷，致使膜電極性能下降；

(3)碳載體的表面積較小，影響氣液固三項反應的速率，使催化劑鉑原子與氫氣的接觸面減小，不能使金屬鉑的催化效率提高，一定程度上造成貴金屬鉑的浪費；

(4)由于催化劑效率較低，為了達到需求的功率密度，會加大催化劑的用量，進而加大了催化層的厚度，增加了膜電極的內阻，減小了膜電極的性能，進而造成電堆的輸出功率下降。

發明內容

發明目的：為解決現有技術中存在的技術問題，本發明提出一種燃料電池催化劑的制備方法，可以減少催化劑用量，節約電池成本，減少催化層厚度，提高電池性能。

技術內容：為實現上述技術目的，本發明提出一種燃料電池催化劑的制備方法，包括如下步驟：

A、制備催化劑載體干粉：將碳粉、碳納米管或碳粉與碳納米管的任意比例的混合物400～600克，使用干粉混料機混合均勻，得到催化劑載體干粉；

B、制備帶有膠粘層的四合一離型基膜：在離型基膜的兩個側面分別涂覆一層硅油離型層，然后在其中一個硅油離型層表面再涂覆一層膠粘層；

C、噴粉：利用精密靜電噴粉機將步驟A中制備的催化劑載體干粉噴在步驟B中制備的離型膜帶有膠粘層的一側，形成一層厚度為0.1～2μm均勻分布的催化劑載體層；噴粉壓力為5-8bar，優選地為6.5bar。

D、真空磁控濺射貴金屬催化劑：在0.5～2Pa的壓力下，通過真空磁控濺射技術將貴金屬催化劑濺射到載體膜上，濺射層厚度為1～7nm，得到濺射有貴金屬催化劑的載體膜；

E、分離載體膜：利用剝離機將步驟D中得到的濺射有貴金屬催化劑的載體膜從離型基膜上剝離；收卷后切片，得到切片面積小于或等于2---4平方厘米的載體膜切片；將該載有催化劑的載體膜切片放在清洗劑中進行超聲清洗，清洗掉膜表面的膠粘層，清洗完成后在120℃下進行真空干燥；

F、粉碎：使用微粉磨將步驟E中得到的載體膜切片粉碎成0.1～3μm的顆粒；

G、將步驟F中粉碎后的顆粒放入炭化爐，在氬氣或氮氣的保護下，于600℃～1300℃下碳化30～120分鐘得到燃料電池催化劑，優選地，在1100℃下碳化100分鐘得到燃料電池催化劑。

其中，優選地，所述的碳納米管管徑在7～15nm，重金屬含量在3ppm以下；碳粉粒徑在10---100nm。

所述的離型基膜的制作材料選自PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PVC(聚氯乙烯)、PC(聚碳酸酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PA(聚酰胺)和PI(聚酰亞胺)中的任意一種，優選地為PET薄膜。