一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法与流程

1.本技术涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法。


背景技术：

2.目前，世界上汽车的保有量持续增长，而传统的燃油汽车对燃油的依赖十分巨大以及对环境污染日益增加，大约17％的二氧化碳排放来自汽车和卡车。而由于质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，不会生成污染物如so
x
、no
x
、co、co2等。膜电极组件是质子交换膜燃料电池最核心的部分，它是燃料电池产生电流的核心组件，其被誉为燃料电池的“心脏”，是发生电化学反应的核心场所，膜电极的好坏决定了电池的性能。膜电极组件通常由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层组成。
3.目前，燃料电池的耐久性限制了其发展。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，以解决现有质子交换膜燃料电池催化层耐久性较差的技术问题。
5.第一方面，本技术提供了一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，所述方法包括：
6.将润湿的pt/c催化剂与分散剂进行第一搅拌，得到混合液；
7.向所述混合液中加入离子聚合物溶液，后进行第二搅拌，得到浆料；
8.将所述浆料喷涂在质子交换膜上，得到第一催化层；
9.将所述第一催化层进行热压，并控制所述热压的工艺参数，得到质子交换膜燃料电池催化层。
10.可选的，所述热压的工艺参数包括：热压温度，热压时间以及热压压力。
11.可选的，所述热压压力为0.1mpa-5mpa。
12.可选的，所述热压温度为100℃-150℃。
13.可选的，所述热压时间为1min-5min。
14.可选的，所述pt/c催化剂中的pt含量为30重量％-70重量％。
15.可选的，所述分散剂包括如下至少一种：
16.乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、六氟异丙醇。
17.可选的，所述离子聚合物溶液为4重量％-6重量％的nafion溶液。
18.可选的，所述离子聚合物和所述pt/c催化剂中的碳载体的重量比为0.5-1。
19.可选的，所述第二搅拌的速度为110r/min-150r/min。
20.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
21.本技术实施例提供的该质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，对喷涂后的膜电极进行热压处理，使膜电极中膜与催化层更好的接触，离聚物在催化层中分布的更均一，离
聚物与催化剂颗粒更好的接触，使得催化层拥有较好地三相界面，此外，能降低催化剂内部孔径，利于水从催化层及时排出，从而提升膜电极的性能，从而提升催化层的耐久性。
附图说明
22.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
23.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本技术实施例提供的一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法的流程示意图；
25.图2为本技术实施例提供的一种质子交换膜燃料电池催化层的电极测试结果图。
具体实施方式
26.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
27.本技术的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本技术范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
28.在本技术中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本技术说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
29.除非另有特别说明，本技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
30.第一方面，本技术提供了一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，请参见图1，所述方法包括：
31.s1、将润湿的pt/c催化剂与分散剂进行第一搅拌，得到混合液；
32.s2、向所述混合液中加入离子聚合物溶液，后进行第二搅拌，得到浆料；
33.s3、将所述浆料喷涂在质子交换膜上，得到第一催化层；
34.s4、将所述第一催化层进行热压，并控制所述热压的工艺参数，得到质子交换膜燃料电池催化层。
35.在一些实施方式中，所述热压的工艺参数包括：热压温度，热压时间以及热压压力。
36.在本技术实施例中，对喷涂后的膜电极进行热压处理。在该热压工艺中，控制热压温度，热压时间以及热压压力，使膜电极中膜与催化层更好的接触，离聚物在催化层中分布的更均一，离聚物与催化剂颗粒更好的接触，使得催化层拥有较好地三相界面，此外，能降低催化剂内部孔径，利于水从催化层及时排出，从而提升膜电极的性能，以及提升催化层的耐久性。在一些实施方式中，所述热压压力为0.1mpa-5mpa。
37.控制热压压力为0.1mpa-5mpa的积极效果：使膜电极中膜与催化层更好的接触，离聚物在催化层中分布的更均一，并且离聚物与催化剂颗粒更好的接触。若热压压力过大，在一定程度上可能会破坏催化层结构；若热压压力太小，在一定程度上可能无法达到预期效果。具体地，该热压压力可以为0.1mpa、1mpa、2mpa、3mpa、4mpa、5mpa等。
38.在一些实施方式中，所述热压温度为100℃-150℃。
39.控制热压温度为100℃-150℃的积极效果：使膜电极中膜与催化层更好的接触，离聚物在催化层中分布的更均一，并且离聚物与催化剂颗粒更好的接触。若热压温度过高，在一定程度上可能将会损坏质子交换膜；若热压温度过低，在一定程度上可能无法达到质子交换膜和树脂的玻璃化温度。具体地，该热压温度可以为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃等。
40.在一些实施方式中，所述热压时间为1min-5min。
41.控制热压时间为1min-5min的积极效果：使膜电极中膜与催化层更好的接触，离聚物在催化层中分布的更均一，并且离聚物与催化剂颗粒更好的接触。若热压时间过短，在一定程度上可能无法达到预期效果；若热压时间过长，在一定程度上可能会破坏催化层以及质子交换膜的结构。具体地，该热压时间可以为1min、2min、3min、4min、5min等。
42.在一些实施方式中，所述pt/c催化剂中的pt含量为30重量％-70重量％。
43.在本技术实施例中，该pt/c催化剂中的pt含量为30重量％-70重量％。具体地，该pt含量可以为30重量％、40重量％、50重量％、60重量％、70重量％等。
44.在一些实施方式中，所述分散剂包括如下至少一种：乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、六氟异丙醇。
45.选用乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、六氟异丙醇作为分散剂的积极效果：上述分散剂能够使浆料分散的更均一。
46.在一些实施方式中，所述离子聚合物溶液为4重量％-6重量％的nafion溶液。
47.选用4重量％-6重量％的nafion溶液作为离子聚合物溶液，其中，含46-48％wt水和48-50％wt异丙醇，控制以上各成分占比可以更好的溶解nafion溶液中的离子聚合物，有利于离子聚合物在浆料中的分散。具体地，该离子聚合物溶液可以是4重量％的nafion溶液、5重量％的nafion溶液、6重量％的nafion溶液。
48.在一些实施方式中，所述离子聚合物和所述pt/c催化剂中的碳载体的重量比为0.5-1。
49.控制离子聚合物和所述pt/c催化剂中的碳载体的重量比为0.5-1的积极效果：离子聚合物作为黏结剂有利于铂碳催化剂在体系中的分散，同时增加催化层的质子传导性。若该重量比过高，在一定程度上会增加催化层的传质阻力；若该重量比过低，在一定程度上会起到很好的黏结作用。具体地，该重量比可以为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0等。上述混合分散的方法包括混合后机械搅拌、水浴超声和探针超声中的一种或者多种组合，混合分散时长0.5-3小时，分散过程始终保持冰水浴。
50.在一些实施方式中，所述第二搅拌的速度为110r/min-150r/min。
51.在本技术实施例中，“第二搅拌”表示将上述浆料装进喷涂料筒中，开启该料筒进行该搅拌，控制该搅拌速度为110r/min-150r/min的积极效果：转速过低，浆料容易沉降；转速过高，浆料容易产生气泡，导致喷涂出的催化层不均一。若搅拌速度过小，在一定程度上会增大沉降的风险；搅拌速度过大，在一定程度上可能会使浆料产生气泡。具体地，该搅拌速度可以为110r/min、120r/min、130r/min、140r/min、150r/min等。
52.下面结合具体的实施例，进一步阐述本技术。应理解，这些实施例仅用于说明本技术而不用于限制本技术的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
53.实施例1：
54.1)称取tkk 47％、pt/c 0.515g，加入少量水将催化剂润湿。
55.2)向步骤1所得的混合液中，依次加入42.4g异丙醇和3.67g dupont公司的nafion(5.2％)溶液。冰水浴下机械搅拌半小时，得到催化层浆料。
56.3)将步骤2制备的浆料加入喷涂料筒a中，开启料筒搅拌，搅拌功率为10％最大搅拌功率，取100
×
100mm质子交换膜，采用喷涂法在90℃的加热台上，使用料筒a中的浆料进行喷涂，初步制得的催化层。
57.4)将步骤3初步制得的催化层放在两片ptfe膜间，并将其置于热压机上，采用0.2mpa，在130℃下热压2min，即制得催化层。
58.实施例2：
59.与实施例1不同的是将热压压力改为0.6mpa。
60.实施例3：
61.与实施例1不同的是将热压压力改为0.8mpa。
62.实施例4：
63.与实施例1不同的是将热压压力改为5mpa，热压温度改为150℃，热压时间改为5min。
64.实施例5：
65.与实施例1不同的是将热压压力改为2mpa，热压温度改为100℃，热压时间改为1min。
66.对比例1：
67.1)称取tkk 47％ pt/c 0.515g，加入少量水将催化剂润湿。
68.2)向步骤1所得的混合液中，依次加入42.4g异丙醇和3.67g dupont公司的nafion(5.2％)溶液。冰水浴下机械搅拌半小时，得到催化层浆料。
69.3)将步骤2制备的浆料加入喷涂料筒a中，开启料筒搅拌，搅拌功率为10％最大搅拌功率，取100
×
100mm质子交换膜，采用喷涂法在90℃的加热台上，使用料筒a中的浆料进行喷涂，制得的催化层。
70.膜电极进行测试：
71.将实施例1-5和对比例1制得的膜电极进行测试，测试条件如下：电池温度80℃，阳极50％rh，阳极气体为氢气，阳极流量为210cc/min，阳极过量系数为1.5，阳极背压为150kpa；阴极50％rh，阴极气体为空气，阴极流量为500cc/ml，阴极过量系数为2.5，阴极背压为150kpa；测试结果如图2所示。
72.由图1可得，在2000ma/cm2的电流密度下，实施例1的电压为0.562v；实施例2的电压为0.597v；实施例3的电压为0.543v；实施例4的电压为0.495v；实施例5的电压为0.502v；对比例1的电压为0.491v；综上，采用本技术实施例提供的方法制得的催化层相对于对比例制得的催化层具在高电流密度下拥有更好的性能。
73.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将润湿的pt/c催化剂与分散剂进行第一搅拌，得到混合液；向所述混合液中加入离子聚合物溶液，后进行第二搅拌，得到浆料；将所述浆料喷涂在质子交换膜上，得到第一催化层；将所述第一催化层进行热压，并控制所述热压的工艺参数，得到质子交换膜燃料电池催化层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热压的工艺参数包括：热压温度，热压时间以及热压压力。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热压压力为0.1mpa-5mpa。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热压温度为100℃-150℃。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热压时间为1min-5min。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述pt/c催化剂中的pt含量为30重量％-70重量％。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散剂包括如下至少一种：乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、六氟异丙醇。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子聚合物溶液为4重量％-6重量％的nafion溶液。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子聚合物和所述pt/c催化剂中的碳载体的重量比为0.5-1。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二搅拌的速度为110r/min-150r/min。

技术总结
本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法。所述方法包括：将润湿的Pt/C催化剂与分散剂进行第一搅拌，得到混合液；向所述混合液中加入离子聚合物溶液，后进行第二搅拌，得到浆料；将所述浆料喷涂在质子交换膜上，得到第一催化层；将所述第一催化层进行热压，并控制所述热压的工艺参数，得到质子交换膜燃料电池催化层。本申请内容解决了现有质子交换膜燃料电池催化层耐久性较差的技术问题，并提升了膜电极的性能。能。能。


技术研发人员：周江峰 于乐乐 曹天鹏
受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/4