[发明专利]一种膜电极催化层的制备方法

说明书

本发明公开了一种膜电极催化层的制备方法。本发明的膜电极包括阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层；所述膜电极通过催化层基底的拉伸，使催化层出现裂隙。将带有裂隙的催化层转印到质子膜上，利用裂隙提高催化层的水气传输效率。该方法能够降低电池的传质极化，优化电池性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种膜电极催化层的制备方法。

背景技术

膜电极是由扩散层、催化层、质子交换膜组成的，它是质子交换膜燃料电池电化学的发生场所，是化学能电能转化的核心部件。燃料电池的性能面临三个方面的损失，即电化学极化、欧姆极化、传质极化。其中催化层的孔隙率低，通孔少，是膜电极传质极化发生的主要部件。因此提高催化层的传质效率对提升电池性能具有重要意义。目前，提高催化层的传质效率有以下几种。第一，通过溶剂和添加剂调节用于制备催化层的浆料，再催化层的制备成型过程中形成大量的二次孔，形成氧气的便捷通道。这种方法需要大量研究各种材料的相容性及适配性，材料使用的灵活度低，不利于快速制造适用不同需求的膜电极。第二，将铂负载在有序的纳米阵列上作为催化层。这种催化层中具有大量的直通孔道，孔道的通孔率高、曲折度低，是最为理想的氧气传质路径。但这种制备的工艺成本较高，除3M公司推出的NSTF系列外鲜有批量生产者。而NSTF系列也因诸多问题停产。第三，用纤维状材料制备催化层。通过使用纤维状的铂碳催化剂或离子树脂，可以利用其长度搭接成松散的结构，形成大尺寸的二次孔。但是纤维的成型需要添加聚合物，这些聚合物对催化剂活性、电池耐久性的影响还需进一步考证。

申请号为201910136626.8的在先专利提供了一种规模化连续制备膜电极有序化催化层的方法，所述催化层是由纳米催化剂改性聚四氟乙烯纤维，然后与全氟磺酸树脂、碳纤维混合熔融挤出并压延制成催化剂膜胚，最后进行加热并纵向拉伸而制得。碳纤维、催化剂以纤维状有序化排列，为电子、质子传输提供了通道，同时贴于质子交换膜后保留了利于气体和水传输的微通道，使催化层具有微流道，便于气体的疏输送和水的排除，提高催化活性和耐久性。但是，聚四氟乙烯的加入大幅提升了催化层的疏水性，不利于目前业内普遍使用的30％-40％的湿度工况。另外，虽然拉伸后的体相传质效率增强，但聚四氟乙烯在催化剂表面附着，反而增加了局域传质阻力，不利于未来膜电极的低铂化设计。对于最为常用的，以碳黑为载体的铂碳催化剂而言，即使加入聚四氟乙烯，也很难形成连续的、均匀的催化层。

为了提升膜电极乃至燃料电池性能，有必要提出一种膜电极催化层的制备方法，进而促进燃料电池的领域的技术发展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，提供一种膜电极催化层的制备方法。本发明利用一种简化的制备方法，在催化层中引入大尺度的氧气传输通道。

本发明的膜电极包括阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层；所述膜电极通过催化层基底的拉伸，使催化层出现裂隙。将带有裂隙的催化层转印到质子膜上，利用裂隙提高催化层的水气传输效率。该方法能够降低电池的传质极化，优化电池性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种膜电极催化层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1、选择易形变的材料制备可拉伸基底；

S2、将铂碳催化剂与离子树脂溶液加入到溶剂并搅拌，得到催化层浆料；

S3、将步骤S2制得的催化层浆料涂布在步骤S1制备的可拉伸基底上，浆料干燥后，对基底进行拉伸，发生所需的形变量，即得到涂布在可拉伸基底上的膜电极催化层。