CN109524676A - 一种立体化的燃料电池催化层电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种立体化的燃料电池催化层电极及其制备方法，该燃料电池催化层电极由催化剂材料、填充物材料、离子导体溶液与溶液加工制成；所述催化剂材料为碳载铂催化剂或碳载铂合金催化剂；所述填充物材料为多壁碳纳米管、VGCF‑X与VGCF‑H中的一种或至少两种的混合物；所述的离子导体溶液为全氟磺酸离聚物树脂溶液，所述溶剂为乙醇、异丙醇与正丙醇中的一种或至少两种的混合物。本发明是在传统催化层浆料中加入立体化填充物材料，如碳纳米管或碳纳米纤维材料，通过将该填充物材料与碳载催化剂的混合，使其在催化层内部形成立体化空间，降低电极内部的传质阻力，改善催化层在高电流密度下的传质特性，进而大幅提高燃料电池电极的输出性能和稳定性。

Description

一种立体化的燃料电池催化层电极及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体为涉及一种高效的立体化催化层电极结构及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池由于其高效、环境友好等特点，近年来受到各研究机构的密切关注。膜电极(MEA)作为燃料电池的核心部件，通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。催化层是膜电极组件(MEA)中发生电化学反应的场所，催化层的性能和稳定性极大程度上决定了MEA的电化学性能，随着PEMFC商业化进程的加快，人们对其性能和寿命提出了更高的追求。
传统的膜电极制备方法是将催化剂与质子导体(如Nafion)按一定比例混合分散，形成催化剂浆料，再将催化剂浆料通过喷涂或刷涂等方法制备成气体扩散电极(GDE)或催化剂涂覆膜(CCM)。但在传统方法中，碳载催化剂和离子导体随机混合，无法保证其均匀性，且电极反应过程中质子、电子以及水、气等物质的多相传输均处于无序状态，其孔分布较为致密，造成较大的电化学极化和浓差极化，影响电池的综合性能。
中国专利(CN 104716348B)中描述了一种具有纳米纤维网络结构的电极，其采用静电纺丝的方法，将含有催化剂和Nafion的高分子纺丝液在铝箔上纺丝，之后热转移到质子交换膜上即可得到该纳米纤维网络结构的膜电极。中国专利(CN 108539206A)中描述了一种催化层全有序电极，其通过将碳纳米管载体阵列垂直生长在气体扩散层上，进而将铂基催化剂原位生长在碳纳米管阵列上。但上述方法制备的催化层电极，其制程工序均较为复杂，且难以进行放大，为了解决上述问题，本发明提供了以下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立体化的燃料电池催化层电极及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种立体化的燃料电池催化层电极，该燃料电池催化层电极由催化剂材料、填充物材料、离子导体溶液与溶液加工制成；
所述催化剂材料为碳载铂催化剂或碳载铂合金催化剂，具体为PtCo/C、PtNi/C、PtFe/C、PtCoCe/C、Pt/Cu/C中的一种，所述催化剂材料的催化剂担载量为0.05～0.5mg/cm2；
所述填充物材料为多壁碳纳米管、VGCF-X与VGCF-H中的一种或至少两种的混合物，其中催化剂材料与该填充物的的质量之比为5/4～45/1；
所述的离子导体溶液为全氟磺酸离聚物树脂溶液，具体为D520、D2020、D79、SS700C、SS900C中的一种，离子导体与催化剂材料的质量比为0.2～2.0；
所述溶剂为乙醇、异丙醇与正丙醇中的一种或至少两种的混合物，所述溶剂占预制催化剂浆料的质量分数为60～96wt.％。
该立体化的燃料电池催化层电极的制备工艺包括如下步骤：
步骤一：称取催化剂材料、填充物材料与离子导体溶液，分别加入到溶剂中，通过超声、机械搅拌中的一种方法或两种方法配合进行分散，分散时间为0.2-1h，均匀分散后制得预制催化剂浆料；
步骤二：将预制催化剂浆料，均匀涂覆在气体扩散层或质子交换膜上，或均匀涂覆在基底材料上；
步骤三：若将预制催化剂浆料涂覆在气体扩散层或质子交换膜上，通过干燥处理在气体扩散层或质子交换膜上形成催化层，制得立体化的催化层电极；
若将预制催化剂浆料涂覆在基底材料上，通过热转移的方法将预制催化剂浆料涂层转印到质子交换膜上，再通过干燥处理在气体扩散层或质子交换膜上形成催化层，制得立体化的催化层电极。
所述基底材料为PTFE薄膜、PET薄膜、PEN薄膜、PPS薄膜中的一种。
所述步骤三中预制浆料的涂覆方法包括但不限于超声喷涂法、静电喷涂法、刮涂法、狭缝涂布法与辊对辊涂布法。
所述步骤三中干燥处理采用自然风干、热台风干与真空干燥中的一种，干燥处理时间为0.5～8h。
本发明的有益效果:
本发明是在传统催化层浆料中加入立体化填充物材料，如碳纳米管或碳纳米纤维材料，通过将该填充物材料与碳载催化剂的混合，使其在催化层内部形成立体化空间，降低电极内部的传质阻力，改善催化层在高电流密度下的传质特性，进而大幅提高燃料电池电极的输出性能和稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是采用本发明实施例1中的立体化催化层电极的电池与传统电池的性能测试结果图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
称取50mg 40wt.％的Pt/C催化剂，其中40wt.％是指Pt/C催化剂中Pt的质量分数为40wt.％、15mg碳纤维材料VGCF-X和84uL 25wt.％的D79，催化剂担载量为0.267mg/cm2，使用乙醇作为溶剂超声分散处理0.5h，所制备的预制浆料固含量为5wt.％；
取一片洁净的质子交换膜，面积为50cm2，采用超声喷涂法将上述分散完全的预制浆料均匀涂覆在质子交换膜上；
涂覆结束后将其放置于热台上风干2h；干燥处理结束后，即制得该立体化催化层电极。
实施例2
称取100mg 50wt.％的PtCo/C催化剂、40mg碳纤维材料VGCF-H和450uL5wt.％的D520，催化剂担载量为0.384mg/cm2，使用50％乙醇和50％异丙醇的混合溶液作为溶剂进行分散，所制备的预制浆料固含量为10wt.％，超声和机械搅拌分散各处理0.5h；
取一片洁净的质子交换膜，面积为100cm2，采用刮涂法将上述分散完全的预制浆料均匀涂覆在气体扩散层上；
涂覆结束后将其放置于真空烘箱中干燥处理，处理时间为4h，处理温度为60℃；干燥处理结束后，即制得该立体化催化层电极。
实施例3
称取100mg 50wt.％的PtNi/C催化剂、4mg多壁碳纳米管材料和450uL 5wt.％的D520，催化剂担载量为0.455mg/cm2，使用正丙醇作为溶剂进行分散，所制备的预制浆料固含量为12wt.％，超声分散0.5h，而后机械搅拌处理1h；
取一洁净的基底材料(如PTFE薄膜)，面积为100cm2，采用狭缝涂布法将上述分散完全的预制浆料均匀涂覆在PTFE薄膜上；
接着将上述涂覆完催化剂层的PTFE薄膜与一洁净的质子交换膜热压合，热压合处理温度为120℃、压力为0.05MPa，时间为5min；处理结束后，将其PTFE薄膜取下，将制得的催化剂涂覆膜进行自然风干处理即得到该立体化催化层电极；
涂覆结束后将其放置于真空烘箱中干燥处理，处理时间为4h，处理温度为60℃；干燥处理结束后，即制得该立体化催化层电极。
实施例4
称取50mg 70wt.％的Pt/C催化剂、3.5mg碳纤维材料VGCF-X和75uL 20wt.％的SS900C，使用异丙醇作为溶剂进行分散，所制备的预制浆料固含量为5wt.％，超声分散处理1h；
取一片洁净的质子交换膜，面积为50cm2，采用超声喷涂法将上述分散完全的预制浆料均匀涂覆在质子交换膜上；
涂覆结束后将其放置于热台上风干，处理时间为2h；干燥处理结束后，即制得该立体化催化层电极。
电池性能测试：
将上述实施例1中制备好的立体化催化层电极，与阳极气体扩散电极和阴极气体扩散层等组装成一个5×5cm2膜电极，并装电池测试；对比样品为常规方法制备的催化层电极，即阴极催化层仅为碳载催化剂和离子导体等，其余制样条件相同；测试条件为电池温度65℃、阴阳极均为增湿度80％、氢气/氧气流量为100/200SLPM，试验结果如图1所示；
其中采用立体化催化层电极的电池，当电流密度高于300mAcm-2时，其功率密度开始高于传统电池的功率密度，其输出电压高于传统电池的输出电压，下降趋势更加平缓。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种立体化的燃料电池催化层电极，其特征在于，该燃料电池催化层电极由催化剂材料、填充物材料、离子导体溶液与溶液加工制成，所述催化层电极厚度为6-50μm；
所述催化剂材料为碳载铂催化剂或碳载铂合金催化剂，具体为PtCo/C、PtNi/C、PtFe/C、PtCoCe/C、Pt/Cu/C中的一种，所述催化剂材料的催化剂担载量为0.05～0.5mg/cm2；
所述填充物材料为多壁碳纳米管、VGCF-X与VGCF-H中的一种或至少两种的混合物，其中催化剂材料与该填充物的的质量之比为5/4～45/1；
所述的离子导体溶液为全氟磺酸离聚物树脂溶液，具体为D520、D2020、D79、SS700C、SS900C中的一种，离子导体与催化剂材料的质量比为0.2～2.0；
所述溶剂为乙醇、异丙醇与正丙醇中的一种或至少两种的混合物，所述溶剂占预制催化剂浆料的质量分数为60～96wt.％；
该立体化的燃料电池催化层电极的制备工艺包括如下步骤：
步骤一：称取催化剂材料、填充物材料与离子导体溶液，分别加入到溶剂中，均匀分散后制得预制催化剂浆料；
步骤二：将预制催化剂浆料，均匀涂覆在气体扩散层或质子交换膜上，或均匀涂覆在基底材料上；
步骤三：若将预制催化剂浆料涂覆在气体扩散层或质子交换膜上，通过干燥处理在气体扩散层或质子交换膜上形成催化层，制得立体化的催化层电极；
若将预制催化剂浆料涂覆在基底材料上，通过热转印的方法将预制催化剂浆料涂层转印到质子交换膜上，再通过干燥处理在气体扩散层或质子交换膜上形成催化层，制得立体化的催化层电极。
2.一种立体化的燃料电池催化层电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：称取催化剂材料、填充物材料与离子导体溶液，分别加入到溶剂中，均匀分散后制得预制催化剂浆料；
步骤二：将预制催化剂浆料，均匀涂覆在气体扩散层或质子交换膜上，或均匀涂覆在基底材料上；
步骤三：若将预制催化剂浆料涂覆在气体扩散层或质子交换膜上，通过干燥处理在气体扩散层或质子交换膜上形成催化层，制得立体化的催化层电极；
若将预制催化剂浆料涂覆在基底材料上，通过热转移的方法将预制催化剂浆料涂层转印到质子交换膜上，再通过干燥处理在气体扩散层或质子交换膜上形成催化层，制得立体化的催化层电极。
3.根据权利要求2所述的一种立体化的燃料电池催化层电极的制备方法，其特征在于，所述基底材料为PTFE薄膜、PET薄膜、PEN薄膜、PPS薄膜中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种立体化的燃料电池催化层电极的制备方法，其特征在于，所述步骤一中分散采用超声、机械搅拌中的一种或两种配合进行分散，分散时间为0.2-1h。
5.根据权利要求2所述的一种立体化的燃料电池催化层电极的制备方法，其特征在于，所述步骤三中预制浆料的涂覆方法包括但不限于超声喷涂法、静电喷涂法、刮涂法、狭缝涂布法与辊对辊涂布法。
6.根据权利要求2所述的一种立体化的燃料电池催化层电极的制备方法，其特征在于，所述步骤三中干燥处理采用自然风干、热台风干与真空干燥中的一种，干燥处理时间为0.5～8h。
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