[发明专利]一种立体化的燃料电池催化层电极及其制备方法

说明书

本发明公开一种立体化的燃料电池催化层电极及其制备方法，该燃料电池催化层电极由催化剂材料、填充物材料、离子导体溶液与溶液加工制成；所述催化剂材料为碳载铂催化剂或碳载铂合金催化剂；所述填充物材料为多壁碳纳米管、VGCF‑X与VGCF‑H中的一种或至少两种的混合物；所述的离子导体溶液为全氟磺酸离聚物树脂溶液，所述溶剂为乙醇、异丙醇与正丙醇中的一种或至少两种的混合物。本发明是在传统催化层浆料中加入立体化填充物材料，如碳纳米管或碳纳米纤维材料，通过将该填充物材料与碳载催化剂的混合，使其在催化层内部形成立体化空间，降低电极内部的传质阻力，改善催化层在高电流密度下的传质特性，进而大幅提高燃料电池电极的输出性能和稳定性。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体为涉及一种高效的立体化催化层电极结构及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于其高效、环境友好等特点，近年来受到各研究机构的密切关注。膜电极(MEA)作为燃料电池的核心部件，通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。催化层是膜电极组件(MEA)中发生电化学反应的场所，催化层的性能和稳定性极大程度上决定了MEA的电化学性能，随着PEMFC商业化进程的加快，人们对其性能和寿命提出了更高的追求。

传统的膜电极制备方法是将催化剂与质子导体(如Nafion)按一定比例混合分散，形成催化剂浆料，再将催化剂浆料通过喷涂或刷涂等方法制备成气体扩散电极(GDE)或催化剂涂覆膜(CCM)。但在传统方法中，碳载催化剂和离子导体随机混合，无法保证其均匀性，且电极反应过程中质子、电子以及水、气等物质的多相传输均处于无序状态，其孔分布较为致密，造成较大的电化学极化和浓差极化，影响电池的综合性能。

中国专利(CN 104716348B)中描述了一种具有纳米纤维网络结构的电极，其采用静电纺丝的方法，将含有催化剂和Nafion的高分子纺丝液在铝箔上纺丝，之后热转移到质子交换膜上即可得到该纳米纤维网络结构的膜电极。中国专利(CN 108539206A)中描述了一种催化层全有序电极，其通过将碳纳米管载体阵列垂直生长在气体扩散层上，进而将铂基催化剂原位生长在碳纳米管阵列上。但上述方法制备的催化层电极，其制程工序均较为复杂，且难以进行放大，为了解决上述问题，本发明提供了以下技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立体化的燃料电池催化层电极及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种立体化的燃料电池催化层电极，该燃料电池催化层电极由催化剂材料、填充物材料、离子导体溶液与溶液加工制成；

所述催化剂材料为碳载铂催化剂或碳载铂合金催化剂，具体为PtCo/C、PtNi/C、PtFe/C、PtCoCe/C、Pt/Cu/C中的一种，所述催化剂材料的催化剂担载量为0.05～0.5mg/cm²；

所述填充物材料为多壁碳纳米管、VGCF-X与VGCF-H中的一种或至少两种的混合物，其中催化剂材料与该填充物的的质量之比为5/4～45/1；

所述的离子导体溶液为全氟磺酸离聚物树脂溶液，具体为D520、D2020、D79、SS700C、SS900C中的一种，离子导体与催化剂材料的质量比为0.2～2.0；

所述溶剂为乙醇、异丙醇与正丙醇中的一种或至少两种的混合物，所述溶剂占预制催化剂浆料的质量分数为60～96wt.％。

该立体化的燃料电池催化层电极的制备工艺包括如下步骤：

步骤一：称取催化剂材料、填充物材料与离子导体溶液，分别加入到溶剂中，通过超声、机械搅拌中的一种方法或两种方法配合进行分散，分散时间为0.2-1h，均匀分散后制得预制催化剂浆料；

步骤二：将预制催化剂浆料，均匀涂覆在气体扩散层或质子交换膜上，或均匀涂覆在基底材料上；