[发明专利]一种燃料电池催化层浆料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种燃料电池催化层浆料，其包括100重量份Pt/C催化剂、500‑1000重量份溶剂、2‑4重量份碳纳米管、1‑3重量份石墨烯、2‑5重量份分散剂和65‑105重量份全氟磺酸树脂。本发明还公开了燃料电池催化层浆料的制备方法，其包括：a将碳纳米管、石墨烯和分散剂混合均匀得到第一浆料混合物；b、向Pt/C催化剂中加入去离子水混合后，依次加入溶剂和第一浆料混合物，球磨得到第二浆料混合物；c、向第二浆料混合物中加入全氟磺酸树脂溶液，球磨得到催化层浆料。本发明的燃料电池催化层浆料，通过构建多维碳材料网络，改善了催化层的孔隙结构，提高了催化剂利用率，制得膜电极性能优异，适用于低加湿车用工况。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池催化层浆料，特别地，还涉及该燃料电池催化层浆料的制备方法，进一步地，还涉及该燃料电池催化层浆料的应用。

背景技术

膜电极组件是燃料电池的核心部件，其中，催化层是膜电极组件的重要组成部分，对质子膜燃料电池的成本和性能至关重要。为了提高催化层的性能，通常是通过引入有序碳材料作为Pt催化剂的载体来改善催化剂质子电导率。然而，制造工序的复杂性将导致成本上升，且不适于工业化应用。

相关技术中，CN106076330A公开了一种添加石墨烯的车用尾气催化层涂层浆料的制备方法，催化层的比表面积最大增加30％，提升了催化剂的利用率。CN109713331A公开了一种添加多壁碳纳米管的适用喷涂工艺的催化剂浆料的制备方法，该发明将多壁碳纳米管加入催化剂浆料中，采用喷涂工艺制备膜电极，制备效率较低。CN111384410A公开了一种具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用，该发明制备的催化层由靠近电解质膜的无裂纹第一催化层和有裂纹第二催化层组成，第一催化层中添加有碳纳米材料，从而避免裂缝的产生。CN 110364740 A公开了一种制造用于燃料电池的膜-电极组件的电极的组合物和方法，该催化剂浆料包含两种碳材料，第二碳具有比第一碳低至少10％的结晶度，使用该催化剂油墨制备电极，并且向电极施加电压以去除第二碳。这些技术均涉及碳材料的添加以制备催化剂浆料，但大多制备工艺路线复杂，难以实现膜电极的工业化制备。

因此，需要开发一种制备方法简单、易于工业应用且性能优异的燃料电池催化层浆料。

发明内容

本发明是基于对以下事实和问题的发现和认识做出的：虽然相关技术中提出了在燃料电池的催化层中加入碳纳米管，一定程度上提高了膜电极性能，但由于未能解决碳纳米管分散差的问题，制得的膜电极性能较差，并且采用喷涂工艺制备，效率较低，不适宜规模化生产。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种燃料电池催化层浆料，通过构建多维碳材料网络，改善了催化层的孔隙结构，有效提高了催化剂利用率，制得膜电极性能优异，能够适用于低加湿车用工况。

根据本发明实施例的一种燃料电池催化层浆料，其包括100重量份Pt/C催化剂、500-1000重量份溶剂、2-4重量份碳纳米管、1-3重量份石墨烯、2-5重量份分散剂和65-105重量份全氟磺酸树脂。

根据本发明实施例的燃料电池催化层浆料的优点和技术效果，1、本发明实施例的催化层浆料，加入了碳纳米管和石墨烯，由于共轭π键作用和量子效应，出现一定程度的络合，构建出良好的3D网络结构；2、本发明实施例的催化层浆料中，加入了分散剂，能够使碳纳米管和石墨烯更好的分散在催化层浆料中；3、本发明实施例的催化层浆料，3D网络结构的催化层有利于优化其孔隙结构,提升了导电性从而降低接触电阻和传质电阻,同时有利于提高催化层中铂的利用率，进而提升了电池性能；4、本发明实施例的催化层浆料，通过多维质子传输网络的构建，提高了催化层的电子转移和低加湿工况下的水气平衡，从而提高了催化剂的利用效率，制备的膜电极活性高，同时减少了膜电极使用的总铂载量。

根据本发明实施例的燃料电池催化层浆料，其中，所述分散剂选自聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。