CN114976045B - 一种燃料电池催化层孔径调节的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池催化层孔径调节的制备方法，通过使用两个喷枪同时出料进行催化层的制备，其中一个喷枪装催化剂浆料，另一个喷枪装慢挥发性的溶剂。这种制备方法能够减慢催化剂浆料干燥过程中溶剂的挥发速率，从而形成有助于气体和产物水运输的孔结构，提高燃料电池性能。同时这种方法还能实现对催化剂浆料和干燥过程的独立调控，因此不管催化剂浆料结构如何，都可用本方法进行催化层孔结构的改进，或者说该方法可以在不改变催化剂浆料结构的前提下调节催化层孔结构，增加了调控的灵活性。本发明的方法简单易行，可用于规模化生产，有助于燃料电池的商业化。

Description

一种燃料电池催化层孔径调节的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池催化层孔径调节的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池具有高转换效率、零排放等优点将成为未来能源领域的发展方向之一。然而在高电流密度运行条件下，传质所带来的电压损耗一直是燃料电池实现高输出性能的一个不容忽视的阻碍。因此，合理设计电极结构，改善传质对提高燃料电池性能至关重要。
作为电化学反应的场所，催化层的微观结构控制着电子、质子、反应物和生成物的输运性质，从而在很大程度上决定了燃料电池的性能。催化层是通过将催化剂浆料沉积到膜或者气体扩散层上干燥而成，其中催化剂浆料通常由Pt/C催化剂、离聚物以及分散剂(一般为醇或水/醇混合溶剂)组成。醇的加入能够减少催化剂颗粒以及离聚物在浆料中的团聚，有助于催化剂浆料的分散，同时在催化层中形成良好的离聚物网络，有利于质子的传递。而在催化层形成过程中，溶剂受热挥发，醇的存在会加快溶剂的挥发速率，使得催化剂浆料中均匀分散的特性得以延续到催化层中，产生更为致密的孔结构，不利于传质。通过利用NH4HCO3，(NH4)2C2O4以及(NH4)2SO4等受热分解产生气体来调节催化层孔结构的方式由于分解温度高，易引入杂质等问题，电池性能的改善效果有限；而一些固体颗粒，如聚苯乙烯微球的加入又存在催化层制备过程复杂等问题，离规模化生产仍有一定距离。此外，任何为了改善催化层孔结构而加入到催化剂浆料中的物质都可能影响浆料特性，从而给电池性能带来负面影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决与现有技术相关的上述问题，提供了一种燃料电池催化层孔径调节的制备方法，该方法能够实现催化剂浆料和干燥过程的独立调控，可以在不改变催化剂浆料结构的前提下调节催化层孔结构，改善燃料电池性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种燃料电池催化层的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将催化剂浆料装入喷枪Ⅰ中，将溶剂装入喷枪Ⅱ中，所述溶剂包括水、丁醇、异丁醇、戊醇中的一种或两种以上；
(2)将喷枪Ⅰ与喷枪Ⅱ同时出料，形成燃料电池催化层。
基于以上技术方案，优选地，所述催化剂浆料包含催化剂、全氟磺酸离聚物以及分散剂，分散剂为水和挥发性醇的混合溶剂；所述催化剂浆料中，催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量分数为0.1～3％。
基于以上技术方案，优选地，所述溶剂与催化剂浆料中挥发性醇的质量比为0.5～5:1。
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，所述全氟磺酸离聚物与催化剂碳载体的质量比为0.3～1.2:1；所述催化剂中，活性物质的质量百分含量为10～70％。
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。
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。
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，所述混合溶剂中，挥发性醇的质量百分含量为10～90％。
本发明还提供一种燃料电池的催化层，所述催化层为上述制备方法制得。
本发明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，所述催化层为上述催化层；所述催化剂中Pt在阴阳极的担载量均为0.05～0.4mg/cm2。
本发明还提供一种燃料电池，包括上述膜电极。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的方法将催化剂浆料与溶剂分别装入两个喷枪中制备催化层，溶剂为慢挥发性的物质，能够减慢催化剂浆料干燥过程中溶剂的挥发速率，实现对催化剂浆料和干燥过程的独立调控，即任何催化剂浆料结构都适用于本方法，或者说无需改变催化剂浆料特性来调节孔结构，增加了调控的灵活性。
(2)含醇的催化剂浆料能够减弱离聚物在Pt/C上的吸附，使得浆料中具有一定的游离离聚物，能够在催化层中更好地形成离聚物网络，因此提高质子传导能力。但是醇的快速挥发会使得催化层的孔结构致密，不利于气体和产物水的运输。本发明的方法通过在另一个喷枪中加入慢挥发性的溶剂与浆料同时进行喷涂，使得干燥过程中溶剂的挥发速率减慢，从而形成有助于气体和产物水运输的孔结构，提高燃料电池性能。
(3)本发明的方法简单易行，可用于规模化生产，有助于推动燃料电池商业化。
附图说明
图1是本发明催化层制备方法的示意图；
图2为本发明对比例1和实施例1-2的催化层形貌图，其中a为对比例1，b为实施例1，c为实施例2；
图3为本发明对比例1和实施例1-2膜电极在氢空条件下的极化曲线图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
具体操作过程如下：
以下所有实施方式中，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，全氟磺酸离聚物采用Nafion，分散剂为水和异丙醇的混合溶剂，其中水和异丙醇的质量比为1：1，浆料的固含量，即催化剂和全氟磺酸离聚物的质量百分含量为1％。
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。
对比例1
阴极侧催化剂浆料的配制参数为：Pt含量为40wt.％的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚物和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，其中水与异丙醇的质量比为1：1，浆料的固含量，即催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量百分含量为1％。
将分散好的催化剂浆料装入一个喷枪中，再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。
实施例1
阴极侧催化剂浆料的配制参数为：Pt含量为40wt.％的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚物和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，其中水与异丙醇的质量比为1：1，浆料的固含量，即催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量百分含量为1％。
将分散好的催化剂浆料装入一个喷枪中，在另一个喷枪中装入水，其中水的质量与催化剂浆料中异丙醇的质量比为2:1，两个喷枪同时出料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。
实施例2
阴极侧催化剂浆料的配制参数为：Pt含量为40wt.％的碳载铂催化剂，全氟磺酸离聚物和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，其中水与异丙醇的质量比为1：1，浆料的固含量，即催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量百分含量为1％。
将分散好的催化剂浆料装入一个喷枪中，在另一个喷枪中装入戊醇，其中戊醇的质量与催化剂浆料中异丙醇的质量比为2:1，两个喷枪同时出料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。
图1为本发明催化层的制备方法的示意图。通过采用两个喷枪同时出料进行催化层的制备，其中一个喷枪中装催化剂浆料，一个喷枪中装慢挥发溶剂的方法有助于减慢干燥过程中溶剂的挥发速率，从而形成有助于气体和产物水运输的孔结构，提高燃料电池性能。同时实现对催化剂浆料和干燥过程的独立调控，即任何催化剂浆料结构都适用于本方法，或者说无需改变催化剂浆料特性来调节孔结构，增加了调控的灵活性。本发明的方法简单，易于规模化生产。
图2为对比例1和实施例1-2的催化层形貌图。能够明显地看出，通过本方法所制备的催化层具有更加疏松的孔结构，有利于气体和产物水的运输，这对燃料电池性能的提升是非常有利的，特别是受传质阻力控制的高电流密度区域。
图3为对比例1和实施例1-2在氢空条件下的极化曲线图。不难看出，实施例1-2展现出比对比例1更高的电压及功率密度，特别是在高电流密度区域，实施例1-2电池性能的提升相比于对比例是巨大的，这使得燃料电池可以在更高的电流密度下运行，提高输出功率，从而降低燃料电池的运行成本。这也说明本发明的方法能够很好的调控孔结构，极大的提升燃料电池性能，且该方法简单易行，有利于规模化生产。
以上，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明创造披露的技术范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将催化剂浆料装入喷枪Ⅰ中，将溶剂装入喷枪Ⅱ中，所述溶剂包括水、丁醇、异丁醇、戊醇中的一种或两种以上；
(2)将喷枪Ⅰ与喷枪Ⅱ同时出料，形成燃料电池催化层；
所述催化剂浆料包含催化剂、全氟磺酸离聚物以及分散剂，分散剂为水和挥发性醇的混合溶剂；所述催化剂浆料中，催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量分数为0.1～3％；
所述溶剂与催化剂浆料中挥发性醇的质量比为0.5～5:1。
2.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，所述全氟磺酸离聚物与催化剂碳载体的质量比为0.3～1.2:1；所述催化剂中，活性物质的质量百分含量为10～70％。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碳载体为Ketjen Black、VulcanXC-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。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述全氟磺酸离聚物为Nafion、3M、Aquivion中的一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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，所述混合溶剂中，挥发性醇的质量百分含量为10～90％。
6.一种燃料电池的催化层，其特征在于，所述催化层由权利要求1～5任一项所述制备方法制得。
7.一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，其特征在于，所述催化层为权利要求6所述的催化层；所述催化层中Pt在阴阳极的担载量均为0.05～0.4mg/cm2。
8.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求7所述的膜电极。
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