[發明專利]一種穩定且高性能的質子交換膜燃料電池催化劑漿料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010846945.0
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN112133928B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 李冰;明平文;張存滿;郭玉清;楊代軍;丁志強
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 顧艷哲

本發明涉及一種穩定且高性能的質子交換膜燃料電池催化劑漿料及其制備方法，包括：首先配制水與異丙醇的第一混合溶液與第二混合溶液，并將第一混合溶液與Nafion溶液混合并分散，得到Nafion混合溶液，將第二混合溶液與催化劑混合并分散，得到催化劑漿料；最后將Nafion混合溶液與催化劑漿料混合，并經過超聲分散后，即得到質子交換膜燃料電池催化劑漿料。與現有技術相比，本發明能夠增加漿料中的靜電斥力，從而使漿料更加穩定，同時能夠使離聚物在催化層上分散更均勻，增加可達質子數，提升燃料電池的性能。此外該方法操作簡單，適用于漿料的規模化制備。

技術領域

本發明屬于燃料電池催化劑漿料制備技術領域，涉及一種穩定且高性能的質子交換膜燃料電池催化劑漿料及其制備方法。

背景技術

膜電極(MEA)被認為是質子交換膜燃料電池(PEMFC)的“芯片”，而催化層(CL)作為MEA的重要組成部分之一，是電極發生反應的重要場所，對PEMFC的性能和耐久性至關重要。然而CL一直面臨著陰極氧還原反應反應動力學緩慢以及質量傳輸過電位過高的問題，造成這些問題的一個重要原因就是CL上催化劑團聚體中離聚物對Pt的覆蓋，離聚物覆蓋在Pt會減少催化活性位點造成氧還原反應活性損失，而Pt表面高密度過厚離聚物層會導致質量傳輸過電位增加。這些都和CL上團聚體的結構密切相關。CL上團聚體的結構主要由催化劑漿料決定。因此，研究和設計催化劑漿料，實現CL優化是質子交換膜燃料電池真正走向規模化應用的重要途徑。

催化劑料漿一般是由催化劑/載體、溶劑、離子聚合物組成。傳統的催化層一般是通過不同的催化劑漿料的溶液處理工藝，如噴涂、狹縫涂布、絲網印刷、噴涂、刀涂、刷涂等將漿料涂布到基底(如膜、碳擴散層或貼花)上。在催化劑漿料中，離聚物會發生非均相聚集：一種是主要聚集過程，由于氟碳主鏈的疏水相互作用而形成的較小的聚合體，另一種次要聚集過程，由于一些可以分解成初級聚集體顆粒的側鏈離子對具有靜電作用，從而形成的較大的二次聚合體。這些離聚物團聚體可以吸附在催化劑/載體團聚體上，也存在離聚物團聚區，從而造成離聚物在CL上分布的不均勻性，降低三相界面上的質子可達性，從而降低燃料電池的性能。因此，合理設計離聚物在漿料中的微觀形貌是提升燃料電池性能的一個重要方面。

此外，催化劑漿料的穩定性是影響其性能的重要因素。穩定性被定義為漿料特性隨時間變化的穩定性。細小的粒子在漿料中不斷進行布朗運動，粒子間不斷發生碰撞，如果碰撞能能夠克服能量勢壘，易發生粒子的聚集或絮凝，這對漿料的使用和儲存極為不利，阻礙了燃料電池的規模化生產。

中國專利201910013471.9提供了一種聚合物膜燃料電池用納米纖維催化劑漿料的制備方法，該方法是在漿料中加入聚合物納米纖維使漿料能夠均勻分散，同時還能增加三相界面。

中國專利201811175737.1公開了一種燃料電池膜電極漿料的制備方法，該方法的特點是在漿料中加入聚丙烯酰胺，乙酸和增稠劑，從而降低了催化劑顆粒的團聚、提高了催化劑的分散性能。

中國專利201611063880.2描述了一種燃料電池膜電極催化劑漿料的制備方法，漿料成分包括催化劑顆粒、水、高分子聚合物質子導體溶液、Teflon溶液，通過調控漿料組分、加料順序和分散方式來改善催化劑顆粒的團聚現象。

以上的這些催化劑漿料的制備方法都能夠在一定程度上提高催化劑的分散性，但或是操作復雜，不利于漿料的大規模生產，或是引入其他物質可能會和催化劑發生締合作用，占據催化活性位點，減少三相界面。

發明內容

本發明的目的就是提供一種穩定且高性能的質子交換膜燃料電池催化劑漿料及其制備方法，用于解決由于催化劑漿料中離聚物聚集導致成品膜電極性能較差的問題，以及催化劑料漿穩定較差的問題。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種穩定且高性能的質子交換膜燃料電池催化劑漿料的制備方法，包括以下步驟：