[发明专利]一种阴极催化剂浆料、阴极催化剂层、膜电极及燃料电池

说明书

本发明是关于一种阴极催化剂浆料、阴极催化剂层、膜电极及燃料电池，涉及燃料电池技术领域。主要采用的技术方案为：一种阴极催化剂浆料，用于制备燃料电池的阴极催化剂层，其中，所述阴极催化剂浆料包括：催化剂浆料本体和疏水性白炭黑；其中，催化剂浆料本体中含有碳载贵金属催化剂；其中，碳载贵金属催化剂包括碳载体和负载于碳载体上的贵金属；疏水性白炭黑的质量是所述碳载体质量的0.1‑8％。本发明主要用于使得膜电极的阴极催化层中反应生成的水易于排出，并确保膜电极的催化性能。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域，特别是涉及一种阴极催化剂浆料、阴极催化剂层、膜电极及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将化学能转化为电能的清洁能源。它具有转化效率高、功率密度高、可低温运行和无污染等优点，在动力汽车、中小型电站和移动电子设备等领域具有广泛的应用前景。

膜电极(MEA)是质子交换膜的核心部件，由阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层组成。膜电极的性能直接决定着燃料电池的性能，制备高性能高功率的膜电极对于燃料电池的商业化具有重大意义。膜电极的催化层是发生化学反应的场所，通常由贵金属催化剂(如Pt/C)和离子聚合物(如Nafion)组成，其中碳载催化剂颗粒实现传导电子，离子聚合物则负责传导质子，两者共同形成复杂的网状多孔结构可以传导反应气体和水。

膜电极的阴极催化层中的反应会生成水，如果产生的水没有及时排出，则会产生水淹现象，会导致催化剂活性降低、阴极反应气体扩散受阻的现象，特别是在大电流密度下，最终使膜电极性能大幅度降低。膜电极的阴极水管理也是近年来研究的热点，以通过有效的方式改进阴极水管理，防止水淹现象的发生，提高膜电极的性能。

为了避免上述提及的水淹现象，现有技术在制备膜电极的阴极催化剂层时，掺入聚四氟乙烯来调节膜电极对水的润湿角。但是，本发明的发明人发现：聚四氟乙烯也是一种粘结剂，易于覆盖在碳载贵金属催化剂的表面，从而降低贵金属的利用率，影响膜电极的阴极催化性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种阴极催化剂浆料、阴极催化剂层、膜电极及燃料电池，主要目的在于使得膜电极的阴极催化层中反应生成的水易于排出，并确保膜电极的催化性能。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明的实施例提供一种阴极催化剂浆料，用于制备燃料电池的阴极催化剂层，其中，所述阴极催化剂浆料包括：

催化剂浆料本体，所述催化剂浆料本体中含有碳载贵金属催化剂；其中，碳载贵金属催化剂包括碳载体和负载于所述碳载体上的贵金属；

疏水性白炭黑，所述疏水性白炭黑的质量是所述碳载体质量的0.1-8％。

优选的，所述碳载体为导电炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维中的任一种。

优选的，在所述碳载贵金属催化剂中，所述贵金属的含量为10-80％。

优选的，所述贵金属为Pt、Pd、Ru、Ir中的一种或几种；或所述贵金属包括贵金属本体和掺杂金属；其中，所述贵金属本体包括Pt、Pd、Ru、Ir中的一种或几种；所述掺杂金属包括Fe、Co、Ni、Cr中的一种或几种。

优选的，所述催化剂浆料本体中还含有离子聚合物；其中，所述离子聚合物与所述碳载体的质量比为0.5-2.0。优选的，所述离子聚合物选用全氟磺酸树脂。

优选的，所述催化剂浆料本体中还含有溶剂；其中，所述阴极催化剂浆料的固含量为0.5-40wt％；优选的，所述溶剂为醇溶剂，优选为异丙醇。

另一方面，上述的阴极催化剂浆料的制备方法，包括如下步骤：

将所述催化剂浆料本体的原料和疏水性白炭黑混合后，经分散处理，得到催化剂浆料；