一種質子交換膜燃料電池用催化劑漿料及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種質子交換膜燃料電池用催化劑漿料及其制備方法，涉及膜電極技術領域。本發明專利技術通過對碳納米改性后水分散性良好，并利用碳納米管一維結構的增益作用，有效降低裂紋風險；簡易了漿料制備方式、干燥模式、涂布方式。采用本發明專利技術方法，可高效、快速制備出裂紋少的質子交換膜燃料電池電極催化層。少的質子交換膜燃料電池電極催化層。少的質子交換膜燃料電池電極催化層。

【技術實現步驟摘要】
一種質子交換膜燃料電池用催化劑漿料及其制備方法


[0001]本專利技術涉及膜電極
，具體涉及一種質子交換膜燃料電池用催化劑漿料及其制備方法。

技術介紹

[0002]質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有綠色環保、能量密度高、發電效率高、啟動速度快等優點，成為最為重要的燃料電池形式之一，最有希望成為汽車的動力源、備用電源。膜電極作為質子交換膜燃料電池核心組件，CCM是膜電極的核心組件，對質子膜燃料電池成本和性能起到至關重要的作用，其是由陽極催化層、質子交換膜和陰極催化層構成的三合一結構。其中催化層作為燃料電池的氫和氧的反應場所，分別包括陰極催化層的氧氣還原反應和陽極催化層的氫氣氧化反應。因此，催化層合理構建將是燃料電池開發中重要的課題之一，尤其是陰極催化層的合理構建。
[0003]陰極催化具有較高的催化劑含量，目前最為常用為涂布法制備膜電極。陰極催化層在制備的過程中受限于漿料、表面張力、不同溶劑揮發速度不同容易出現裂紋現象。催化劑層裂紋會嚴重影響燃料電池的性能，比如加速質子膜的老化，開裂區域容易造成水淹從而加速膜電極性能衰退等。
[0004]在相關技術中，公開號CN113839048A的專利申請公開了一種質子交換膜用催化劑漿料，包括：催化劑、全氟磺酸樹脂、溶劑和添加劑，所述添加劑為含有碳納米管的分散液，所述分散液為水溶性酰胺類有機溶劑。所述碳納米管的質量為所述催化劑和全氟磺酸樹脂質量總和的1
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10％，其中，所述含有碳納米管的分散液中碳納米管的固含量為5
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10％。該專利技術的質子交換膜用催化劑漿料，在質子交換膜燃料電池催化層構建了三維導電網絡，提高了催化層與質子交換膜的接觸，降低了質子交換膜的溶脹，提升了催化劑的利用率，采用該催化劑漿料能夠直接涂敷在質子交換膜上，能夠制得裂紋少、性能優異的CCM。但在該專利技術的分散液處理下，碳納米管的分散效果并不是很好，會導致質子交換膜上仍然有裂紋，影響CCM的性能。
[0005]公開號為CN109713331A的專利申請提供了一種催化劑漿料、催化劑涂膜、膜電極組件及其用途，該催化劑漿料是由Pt
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C催化劑、全氟磺酸樹脂樹脂、醇溶劑和多壁碳納米管制備成的膠體。該專利技術系統性地改變加入多壁碳納米管的質量和不同樹脂與碳的比例優化催化劑漿料，不僅優化了漿料的電導率，提高了催化層的電導率，而且膜電極的電化學活性面積和質量比活性也得到大幅度提高。該專利技術加入的多壁碳納米管在漿料的分散性有待提高，會導致質子交換膜上仍然有裂紋，影響CCM的性能。
[0006]因此，需要開發一種成本低，操作簡單、無裂紋、性能優異的質子交換膜直接涂敷用催化劑漿料。

技術實現思路

[0007]本申請目的在于提供一種裂紋少的催化層制備方法，采用涂布法制備，通過對碳
納米管進行改性獲得優異的水均勻分散能力，并利用碳納米管的一維結構來有效抑制催化層在涂布干燥過程中形成裂紋。
[0008]碳納米管其獨特一維結構性質，被廣泛應用在柔性自支撐膜領域。同樣，申請人通過對碳納米管進行處理，利用水分散性良好的碳納米管均勻分散液(圖2右)涂布成膜，它不僅成膜性好，并且所形成的膜不會出現開裂現象(圖1)。因此，也可推測出一維結構的具備水分散性良好的碳納米管應用在燃料電池催化層中可抑制催化層裂紋形成。
[0009]本專利技術的技術方案如下：
[0010]一種質子交換膜燃料電池用催化劑漿料的制備方法，包括以下步驟：
[0011](1)預處理碳納米管：
[0012]將碳納米管加入分散液中，在120～150℃溫度下分散3
?
5h，然后洗滌干燥，得到預處理的碳納米管；所述分散液為無機酸；
[0013](2)將催化劑、步驟(1)中預處理的碳納米管、全氟磺酸樹脂溶液混合，然后加入溶劑，分散后獲得所述質子交換膜燃料電池用催化劑漿料。
[0014]優選的，步驟(1)中，所述碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管；所述無機酸為硝酸；所述硝酸濃度為68wt％。使用硝酸，利用硝酸的氧化性，碳納米管獲得優異的水均勻分散能力，使其水分散性良好。
[0015]步驟(2)中，所述催化劑為鉑碳催化劑，所述催化劑的鉑含量為40
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70wt％；所述催化劑為TKK品牌的TEC10E50E或TEC10E40，但不限于此。所述全氟磺酸樹脂溶液為Aquivion D83
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24B、Aquivion D79
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25BS、Aquivion D72
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25BS或科慕D2020。
[0016]具體的，步驟(2)中，所述溶劑包括水和醇類，水和醇類的質量之比為1.02～99∶1；所述醇類為甲醇、乙醇、異丙醇或正丙醇。
[0017]優選的，步驟(2)中，添加預處理的碳納米管、催化劑、溶劑、全氟磺酸樹脂溶液的質量比為1∶25
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200∶370
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1600∶16
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100。
[0018]步驟(2)中，分散的條件為：在氮氣或氬氣保護下，在溫度為0～10℃、10000
?
20000rpm速度下攪拌或剪切進行分散。
[0019]本專利技術還提供了一種所述的制備方法制備的質子交換膜燃料電池用催化劑漿料。
[0020]本專利技術還提供了一種質子交換膜燃料電池膜電極CCM，包括質子交換膜和質子交換膜兩側的陽極催化層和陰極催化層，所述陽極催化層和/或陰極催化層由所述的質子交換膜燃料電池用催化劑漿料涂敷于基膜制成。
[0021]本專利技術還提供了一種膜電極，包括所述的質子交換膜燃料電池膜電極CCM。
[0022]與現有技術相比，本專利技術的有益效果：
[0023]本專利技術通過對碳納米管改性后水分散性良好，并利用碳納米管一維結構的增益作用，有效降低了裂紋風險；本專利技術簡易了漿料制備方式、干燥模式、涂布方式。采用本專利技術方法，可高效、快速制備出裂紋少的質子交換膜燃料電池電極催化層。
附圖說明
[0024]圖1為催化層的結構示意圖。
[0025]圖2為碳納米在水中的分散1h的效果圖，其中圖中左邊為常規碳納米管的分散效果圖，右側為水分散性良好的碳納米管分散效果圖。
[0026]圖3為碳納米管涂布膜面的顯微鏡照片圖。
[0027]圖4為實施例1制備催化層的顯微鏡照片圖。
[0028]圖5為實施例2制備催化層的顯微鏡照片圖。
[0029]圖6為對比例1制備催化層的顯微鏡照片圖。
[0030]圖7為對比例2制備催化層的顯微鏡照片圖。
[0031]圖8為對比例3制備催化層的顯微鏡照片圖。
[0032]圖9為催化層在燃料電池膜電極應用中的極化曲線。
具體實施方式
[0033]圖1為催化層的結構示意圖。
[0034]實施例1
[0035]一種制備裂紋催化劑層的方法，包括以下步驟：
[0036](1本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種質子交換膜燃料電池用催化劑漿料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)預處理碳納米管：將碳納米管加入無機酸中，在120～150℃溫度下進行水熱反應3
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5h，然后洗滌干燥，得到預處理的碳納米管；(2)將催化劑、步驟(1)中預處理的碳納米管、全氟磺酸樹脂溶液混合，然后加入溶劑，分散后獲得所述質子交換膜燃料電池用催化劑漿料。2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管；所述無機酸為硝酸；所述硝酸濃度為68wt％。3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述催化劑為鉑碳催化劑，所述催化劑的鉑含量為40
?
70wt％。4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述全氟磺酸樹脂溶液為Aquivion D83
?
24B、Aquivion D79
?
25BS、Aquivion D72
?
25BS或科慕D2020。5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王勝平，張樹國，馮偉民，曹寅亮，趙淑燕，范漢慶，孫鈺博，范峰強，
申請(專利權)人：浙江天能氫能源科技有限公司，
類型：發明
國別省市：