[發明專利]一種形成離聚物網絡的燃料電池催化劑漿料及其制備方法

在審

• 申請號: 202111424127.2
• 申請日: 2021-11-26
• 公開（公告）號: CN114171748A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 邵志剛;任紅;孟祥超
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 房艷萍;李馨

本發明提供了一種形成離聚物網絡的燃料電池催化劑漿料及其制備方法，其中使用了具有短側鏈的全氟磺酸離聚物，得到的催化劑漿料具有更高的Zeta電位，有利于漿料的穩定；另外，在2h內制備得到催化層，在改善催化層質子傳導的同時還能緩解離聚物對催化劑的毒化作用，大幅度提升質子交換膜燃料電池性能。本發明對于催化劑漿料的工藝優化以及減少鉑擔載量從而降低成本具有重要意義。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，特別是涉及一種形成離聚物網絡的燃料電池催化劑漿料及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有操作溫度低、啟動速度快、能量轉換效率高、清潔無污染以及運行噪音低等優點，是實現低碳減排的重要能源轉換技術，同時也被認為是后石油時代人類解決交通用動力源的可選途徑之一。

催化層(catalyst layer，CL)是PEMFC的關鍵組成部分。作為電化學反應發生的場所，CL的微觀結構控制著電子、質子、反應物和生成物的傳輸特性，從而決定電池性能。CL是由催化劑、碳載體、離聚物組成的多尺度孔隙復合結構。其中，離聚物作為粘接劑以及質子傳遞的載體，較低的含量會使得質子的傳輸變得困難，較高的含量又會導致較高的活性位點覆蓋，加重離聚物對催化劑的毒化作用，降低PEMFC電池性能。現有技術中的研究都致力于尋找最佳的離聚物擔載量以實現質子傳遞和活性位點覆蓋之間的平衡，使得PEMFC的電池性能最優化，但是最佳的離聚物擔載量還受到催化劑以及分散溶液的影響，得到的最佳離聚物擔載量并不具備普適性，同時還需要進行大量的實驗，因此改善的效果有限并且受到限制。

發明內容

本發明的目的是為了解決與現有技術相關的上述問題，提供了一種形成離聚物網絡的燃料電池催化劑漿料及其制備方法，其既能實現CL質子傳遞能力的提高，又能降低離聚物對催化劑的毒化作用，從而實現PEMFC電池性能的雙重改進。

具體技術方案如下：

本發明提供一種形成離聚物網絡的燃料電池催化劑漿料，所述催化劑漿料包括催化劑、全氟磺酸離聚物分散液、混合溶液，混合溶液包含去離子水和揮發性醇，通過超聲混合得到分散均勻的催化劑漿料；全氟磺酸離聚物分散液的EW值為720～980，所述全氟磺酸離聚物為具有短側鏈的全氟磺酸離聚物，短側鏈的結構式為-O-(CF₂)₂-SO₃H。短側鏈的全氟磺酸離聚物的結構式如下所示：

基于以上技術方案，優選地，所述催化劑包括載體和催化活性物質，所述催化劑中的活性物質為Pt、PtCo、PtIr、PtPd、PtRu、PtAu中的一種，所述催化劑中的載體為炭黑、石墨烯、碳納米管和碳納米纖維中的一種，所述催化劑中，活性物質的質量百分含量為10％～70％。

基于以上技術方案，優選地，所述揮發性醇為甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇中的一種，所述混合溶液中，揮發性醇的質量百分含量為10％～90％。

基于以上技術方案，優選地，所述全氟磺酸離聚物分散液的質量分數為5％～25％；所述全氟磺酸離聚物分散液的溶劑為水；所述全氟磺酸離聚物為Solvay Solexis公司的Aquivion短側鏈全氟磺酸離聚物。

基于以上技術方案，優選地，所述催化劑漿料中，全氟磺酸離聚物分散液中的離聚物與催化劑載體的質量比為0.3～1.2:1。

基于以上技術方案，優選地，所述催化劑漿料中，催化劑和全氟磺酸離聚物分散液中的離聚物的質量分數，即固含量為0.1％～3％。

基于以上技術方案，優選地，所述超聲混合過程中，超聲的時間為30-60min，超聲機的輸出功率每毫升催化劑漿料為10-40W。

本發明還提供一種用于燃料電池的催化層，所述催化層為上述催化劑漿料在0-2h內噴涂得到。