[发明专利]一种膜电极中催化剂层的制备方法

说明书

本发明涉及新能源材料与在燃料电池汽车的应用领域，特别涉及一种膜电极中催化剂层的制备方法。所述催化剂层包括聚酰胺‑胺树形分子包裹的纳米贵金属催化剂和表面功能化导电碳黑，与现有技术相比，本发明的有益效果：聚酰胺‑胺树形分子作为模板剂能更好地在原子、分子水平上控制催化剂的纳米粒子结构、大小及分布，可大大提高贵金属的利用率，从而提高燃料电池的性能和降低成本；表面功能化导电碳黑与PGM‑DENC通过酰胺共价交联形成PGM(C)‑DENC，提高了催化剂的导电性。

技术领域

本发明涉及新能源材料与在燃料电池汽车的应用领域，特别涉及一种膜电极中催化剂层的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种不经过燃烧过程直接将其化学能转化为电能的发电装置，电化学反应发生在两边的电极上，涂覆在电极上电催化剂被用来促进发生在阳极的燃料的电化学氧化反应和发生在阴极的氧的还原反应。在众多的燃料电池中，质子交换膜(PEM)燃料电池(Proton-Exchange-Membrane Fuel Cell,PEMFC)由于其高功率密度、启动速度快，操作温度低，以及环境友好等特性，最近受到了市场广泛关注。它的能量密度高、启动速度快、低温稳定运行、操作温度低以及环境友好等特点，决定了它非常适合作为电动汽车动力源、便携式小型电源以及水下动力系统电源等。因此，自上世纪九十年代以来，受到各国政府和能源、汽车、家电和军工等各方面的广泛关注，技术发展迅速。

膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池的主要零部件，它包括五层结构，中心层是质子交换膜，在其两侧是两层被膜分离的催化剂层，构成阴、阳两极的催化膜电极，在燃料电池化学能转化为电能的过程中，催化膜电极起着至关重要的作用；催化膜电极外还有两个气体扩散层，主要用于传输反应物(燃料、空气)至膜电极并移出产物-水。

目前商用的膜电极组件中，催化剂层多采用传统的贵金属(PGM)Pt/C电催化剂制成，但贵金属在地球上储量有限，价格昂贵，在燃料电池中利用率低，阻碍了质子交换膜燃料电池的商业化进程。过去几十年里，众多的研究人员一直在致力于具有高效、低贵金属(PGM)、高耐久性的新一代膜电极组件和催化膜电极的研究。基于这一目的，本发明通过一种新的高效催化剂合成技术，提供一种催化膜电极及其关键组成—催化剂层的制备方法，旨在改善燃料电池的催化膜电极性能，降低成本，为燃料电池关键零部件、催化膜电极及其催化剂层，提供一个新的工艺技术路线。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的质子交换膜燃料电池中贵金属消耗量大、利用率低的缺陷，提供一种催化剂层、浆料、制备方法及其制备的催化膜电极(CCM)。

本发明提供了以下技术方案：

一种催化剂层，包括纳米贵金属催化剂和导电碳黑，所述导电碳黑和所述纳米贵金属催化剂的质量比为0.01％-1％，优选为0.1％-0.5％，所述纳米贵金属催化剂为聚酰胺-胺树形分子包裹的纳米贵金属催化剂，所述导电碳黑为表面功能化的导电碳黑。

导电碳黑功能化的目的是为了更有效地与催化剂结合，从而提升催化剂的导电性。

本发明通过聚酰胺-胺树形分子作为模板剂和稳定剂，制得的催化剂层纳米结构和粒径可控，提高了贵金属的利用率；通过对导电碳黑对催化剂的修饰，使其导电率得到提升。

其中，所述纳米贵金属催化剂是通过以下方法制备得到的：将聚酰胺-胺树形分子与贵金属化合物进行络合反应，再加入还原剂进行还原反应，经分离、洗涤、干燥，即得聚酰胺-胺树形分子包裹的纳米贵金属催化剂。