[发明专利]一种改善离聚物在催化剂浆料中分散性的质子交换膜燃料电池浆料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种改善离聚物在催化剂浆料中分散性的质子交换膜燃料电池浆料及其制备方法，该方法采用分步法首先加入催化剂和水，经过分散后制备成催化剂悬浊液，然后将醇和全氟磺酸树脂溶液分散后制备成离聚物溶液，最后将离聚物溶液分成三份，依次加入到催化剂悬浊液中，依次分散后制备成质子交换膜燃料电池催化剂浆料。与现有技术相比，本发明可以减少催化剂浆料中未吸附的离聚物，使离聚物更均匀的吸附在催化剂上，同时能够改善催化层上团簇催化剂/离聚物的界面的微观结构，增加三相界面，提升燃料电池的性能；此外该方法操作简单，制备过程易于控制，制成出的浆料适用于狭缝涂布、刷涂等卷对卷高通量膜电极制备。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂浆料制备技术领域，涉及质子交换膜燃料电池催化剂浆料及其制备方法，尤其是涉及一种改善离聚物在催化剂浆料中分散性的质子交换膜燃料电池浆料及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其能量转换率高、绿色环保等特点被认为是21世纪最有发展潜力的可再生新能源之一，目前已经在交通、住宅、发电站等领域应用。然而尽管燃料电池汽车已经面世，但是距离真正的商业化还有很远的一段路要走。在不牺牲性能的情况下减少铂的负载，特别是在阴极催化层上，在过去的十年里一直是一个挑战。膜电极(MEAs)是发生在质子交换膜燃料电池的电化学反应的关键部件。而作为膜电极的核心部件，催化层的微观结构极大的影响催化剂的性能。在催化层上的团聚体中，催化剂和离聚物之间会有纳米界面存在，即存在离聚物薄层，氧还原反应(ORR)就是在这些界面上发生的。从Pt/C催化剂的角度来看，覆盖在该催化剂上的离聚物薄层控制着质子、电子和氧气到Pt表面的传输。此外，该离聚物薄层有助于去除氧气还原过程中产生的热量和水。因此，催化层上催化剂/离聚物的纳米界面的结构对燃料电池的性能至关重要。

尽管催化剂/离聚物界面上发生重要的物理化学现象，然而合理设计和优化催化剂/离聚物界面结构却是一个挑战。一般来说，传统的催化层是由催化剂浆料材料经过分散后制备成催化剂浆料，催化剂浆料再经过溶液沉积技术，比如超声喷涂、狭缝涂布、刷涂、静电喷涂等沉积到气体扩散层或膜上，再经过蒸发和干燥制备成催化层。因此催化层上催化剂/离聚物界面的形成和这些过程中多个内外部作用力的物理耦合有关，特别是和催化剂浆料中离聚物的分散性及其在Pt/C上的吸附过程有关。在稀溶液中，离聚物会以棒状结构存在，随着离聚物浓度的增加，离聚物开始发生团聚。在浆料中，这些离聚物会自发吸附在催化剂上，然而这些离聚物可能并不是均匀或全部都吸附在离聚物上，因此在催化层上，催化剂上覆盖的离聚物薄厚不一，还可能离聚物没有覆盖在催化剂上。离聚物对催化剂覆盖过厚或者离聚物不与催化剂相接触，这会导致氧化还原反应降低或三相界面减小，从而造成膜电极能的降低。因此必须从催化剂浆料入手，提高离聚物的分散性，使其更均匀的吸附在催化剂上，形成催化层上良好的催化剂/离聚物界面，从而提升燃料电池性能。

中国专利202010788428.2提供了一种燃料电池用催化剂浆料其制备方法，该方法通过控制溶剂的溶解度参数来防止PTFE在浆料中的凝聚、破乳现象，使PTFE在催化层中分散更均匀。

中国专利202010076629.X涉及一种含分散助剂的催化剂浆料的制备方法，该浆料的组分包括机溶剂以及溶于有机溶剂中的催化剂、离子导体溶液和分散助剂，其中分散助剂为含氟磺酸聚合物或BYK系列分散剂，能够提高浆料的分散性和均匀性。

中国专利201811175737.1建立了一种燃料电池膜电极浆料的制备方法，该方法的特点是在浆料中加入聚丙烯酰胺，乙酸和增稠剂，从而降低了催化剂颗粒的团聚、提高了催化剂的分散性能。

发明内容

本发明申请人经过对现有技术深入研究后发现：以上的这些催化剂浆料的制备方法都能够在一定程度上提高催化剂的分散性，但是没有关注离聚物的分散性，或是引入其他物质可能会和催化剂发生缔合作用，占据催化活性位点，减少三相界面。