[发明专利]一种燃料电池催化层及其制备方法

说明书

本发明提供一种燃料电池催化层及其制备方法。所述制备方法为：富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料交替喷涂形成层间结构的燃料电池催化层；所述富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料均包括催化剂、全氟磺酸离聚物以及分散剂，所述分散剂为水和挥发性醇的混合溶剂；所述富水催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为5～30％；所述富醇催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为60～95％。该方法能够发挥出富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料各自的优势，使得制备的催化层既具有一定的大孔结构用于传质，又具备良好的质子传导能力，从而使得燃料电池的输出性能最优化。

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及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池能够实现将化学能转换为电能，其具有能量转换效率高，产物无污染等优点，可用作汽车动力源、移动电源以及固定电站。作为电化学反应发生的场所，催化层的结构决定着质子交换膜燃料电池的输出性能、稳定性以及耐久性。目前，催化层主要通过催化剂浆料前驱体进行制备，其中浆料分散剂一般为醇类或者水/醇混合溶剂。富水的催化剂浆料有助于在催化层产生更多的大孔，从而利于反应物和产物的运输。然而，富水的催化剂浆料所形成的催化层具有较差的质子传导能力，导致电池性能不理想。富醇的催化剂浆料则与之相反，其制得的催化层具有更少的大孔结构，不利于传质，但具有优异的质子传导能力。尽管选用一个适中的水/醇比例可以一定程度上平衡孔结构和质子传导之间的矛盾，但富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料各自所具备的优势也随之被削弱，难以将它们的优势最大化。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池催化层及其制备方法，该方法能够发挥出富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料各自的优势，使得制备的催化层既具有一定的大孔结构，又具备良好的质子传导能力，从而使得燃料电池的输出性能最优化。

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，所述制备方法为：富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料交替喷涂形成层间结构的燃料电池催化层；

所述富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料均包括催化剂、全氟磺酸离聚物以及分散剂，所述分散剂为水和挥发性醇的混合溶剂；

所述富水催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为5～30％；

所述富醇催化剂浆料中，分散剂中挥发性醇的质量百分含量为60～95％。

基于以上技术方案，优选地，所述富水催化剂浆料的出料量与富醇催化剂浆料的出料量比值为1～3:1。

基于以上技术方案，优选地，所述富水催化剂浆料和富醇催化剂浆料中，催化剂和全氟磺酸离聚物的总质量分数均为0.1～3％。

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，所述碳载体与全氟磺酸离聚物的质量比为1：0.3～1.2，所述催化剂中，催化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。

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，所述催化层为上述制备方法制得的催化层。

基于以上技术方案，优选地，所述催化层中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。