[发明专利]一种形成离聚物网络的燃料电池催化剂浆料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种形成离聚物网络的燃料电池催化剂浆料及其制备方法，其中使用了具有短侧链的全氟磺酸离聚物，得到的催化剂浆料具有更高的Zeta电位，有利于浆料的稳定；另外，在2h内制备得到催化层，在改善催化层质子传导的同时还能缓解离聚物对催化剂的毒化作用，大幅度提升质子交换膜燃料电池性能。本发明对于催化剂浆料的工艺优化以及减少铂担载量从而降低成本具有重要意义。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，特别是涉及一种形成离聚物网络的燃料电池催化剂浆料及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有操作温度低、启动速度快、能量转换效率高、清洁无污染以及运行噪音低等优点，是实现低碳减排的重要能源转换技术，同时也被认为是后石油时代人类解决交通用动力源的可选途径之一。

催化层(catalyst layer，CL)是PEMFC的关键组成部分。作为电化学反应发生的场所，CL的微观结构控制着电子、质子、反应物和生成物的传输特性，从而决定电池性能。CL是由催化剂、碳载体、离聚物组成的多尺度孔隙复合结构。其中，离聚物作为粘接剂以及质子传递的载体，较低的含量会使得质子的传输变得困难，较高的含量又会导致较高的活性位点覆盖，加重离聚物对催化剂的毒化作用，降低PEMFC电池性能。现有技术中的研究都致力于寻找最佳的离聚物担载量以实现质子传递和活性位点覆盖之间的平衡，使得PEMFC的电池性能最优化，但是最佳的离聚物担载量还受到催化剂以及分散溶液的影响，得到的最佳离聚物担载量并不具备普适性，同时还需要进行大量的实验，因此改善的效果有限并且受到限制。

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，提供了一种形成离聚物网络的燃料电池催化剂浆料及其制备方法，其既能实现CL质子传递能力的提高，又能降低离聚物对催化剂的毒化作用，从而实现PEMFC电池性能的双重改进。

具体技术方案如下：

本发明提供一种形成离聚物网络的燃料电池催化剂浆料，所述催化剂浆料包括催化剂、全氟磺酸离聚物分散液、混合溶液，混合溶液包含去离子水和挥发性醇，通过超声混合得到分散均匀的催化剂浆料；全氟磺酸离聚物分散液的EW值为720～980，所述全氟磺酸离聚物为具有短侧链的全氟磺酸离聚物，短侧链的结构式为-O-(CF₂)₂-SO₃H。短侧链的全氟磺酸离聚物的结构式如下所示：

基于以上技术方案，优选地，所述催化剂包括载体和催化活性物质，所述催化剂中的活性物质为Pt、PtCo、PtIr、PtPd、PtRu、PtAu中的一种，所述催化剂中的载体为炭黑、石墨烯、碳纳米管和碳纳米纤维中的一种，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，所述挥发性醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种，所述混合溶液中，挥发性醇的质量百分含量为10％～90％。

基于以上技术方案，优选地，所述全氟磺酸离聚物分散液的质量分数为5％～25％；所述全氟磺酸离聚物分散液的溶剂为水；所述全氟磺酸离聚物为Solvay Solexis公司的Aquivion短侧链全氟磺酸离聚物。

基于以上技术方案，优选地，所述催化剂浆料中，全氟磺酸离聚物分散液中的离聚物与催化剂载体的质量比为0.3～1.2:1。

基于以上技术方案，优选地，所述催化剂浆料中，催化剂和全氟磺酸离聚物分散液中的离聚物的质量分数，即固含量为0.1％～3％。

基于以上技术方案，优选地，所述超声混合过程中，超声的时间为30-60min，超声机的输出功率每毫升催化剂浆料为10-40W。

本发明还提供一种用于燃料电池的催化层，所述催化层为上述催化剂浆料在0-2h内喷涂得到。