一种氢氧燃料电池催化层及其制备方法与流程

本发明属于高分子材料和燃料电池，特别涉及一种氢氧燃料电池催化层及其制备方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种高效、清洁、环境友好的发电装置，是电动汽车的理想动力源，亦可作为分布式电站、潜艇及航天器等军用电源或便携式电源等，具有十分广阔的应用前景。如今，全氟磺酸基离聚物作为商业化最为广泛的一种传输质子离聚物，其在催化层的分布调控能够有效降低传质阻抗进而提高电池性能。但是到目前为止，获得pemfc优异性能的关键问题是质子传导率和传质阻抗之间的平衡。全氟磺酸基离聚物主链骨架为聚四氟乙烯，侧链具有磺酸基团，具有良好质子传导能力。质子交换膜产生质子需要通过离聚物传导至催化层三相反应界面，与反应气体结合。离聚物含量不足会造成质子传导受阻，离聚物含量较多则会阻碍反应气体传输。因此目前对催化层离聚物的改性应该在降低传质阻抗的同时保证优越的质子电导性。

2、最近，已经开发了各种策略来改善催化层离聚物的传质性能，例如，(1)依赖于多孔cof材料掺杂在催化层离聚物中来制备气体传输通道；通常在催化层离聚物中引入10％以上的量的多孔结构材料，导致催化层质子传导率降低；(2)基于梯度分布或其他结构设计的具有不同含量的离聚物分布；全氟磺酸基离聚物侧链在引入时对贵金属催化剂催化活性位点具有特异性吸附现象，降低催化剂反应活性。

3、针对现有技术的不足，本发明通过一种分子尺度调控氢氧燃料电池催化层离聚物分布结构的方法，该方法制备的燃料电池不仅具有较低的传质阻抗，还具有优异的质子传导率。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种氢氧燃料电池催化层及其制备方法，制得的氢氧燃料电池催化层兼具优异质子传导率及较低的传质阻抗。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、第一方面，一种氢氧燃料电池催化层的制备方法，包括如下步骤：

4、将含pt催化剂加入第一溶剂中，搅拌溶解，得到催化剂溶液；

5、将4-巯基吡啶加入第二溶剂中，搅拌溶解，得到4-巯基吡啶溶液；

6、将4-巯基吡啶溶液加入到催化剂溶液中混合，制备得到4-巯基吡啶-含pt催化剂混合溶液；

7、将4-巯基吡啶-含pt催化剂混合溶液充分离心，分离去除上层清液，取下层固形物重新配制4-巯基吡啶-含pt催化剂混合溶液；

8、将全氟磺酸基离聚物溶液加入到重新配制的4-巯基吡啶-含pt催化剂混合溶液中，制备得到催化剂混合溶液；

9、将催化剂混合溶液经充分分散后，喷涂在质子交换膜或气体扩散层上，得到质子交换膜或气体扩散层负载的催化层。

10、第二方面，一种氢氧燃料电池催化层，通过第一方面所述的一种氢氧燃料电池催化层的制备方法制得。

11、第三方面，一种膜电极，所述膜电极的气体扩散层上设有第二方面所述的氢氧燃料电池催化层。

12、第四方面，一种氢氧燃料电池，所述氢氧燃料电池具有第三方面所述的膜电极。

13、根据本发明提供的一种氢氧燃料电池催化层及其制备方法，具有以下有益效果：

14、(1)本发明提供的一种氢氧燃料电池催化层及其制备方法，向催化剂引入4-巯基吡啶，形成空间位阻结构，再引入全氟磺酸基离聚物，得到的催化层在电池活化后具有一定孔隙分布的离聚物结构，由于离聚物对反应三相界面阻碍减小，气体传质能力得以提高；

15、(2)本发明提供的一种氢氧燃料电池催化层及其制备方法，工艺简单，适合大规模的工业化生产，且制备的氢氧燃料电池催化层具有较低的传质阻抗及优异的质子传导率。

技术特征：

1.一种氢氧燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述含pt催化剂包括pt/c催化剂。

3.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂和第二溶剂选用乙醇水溶液或乙醇溶剂，优选第一溶剂和第二溶剂选用相同的溶剂。

4.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述4-巯基吡啶与含pt催化剂中pt的质量之比为(1.25～10)：100。

5.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述全氟磺酸基离聚物与催化剂中载体的质量比为0.5～1.5：1。

6.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述全氟磺酸基离聚物为dupont nafion、solvay aquivion系列离聚物。

7.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述催化层成型于膜电极的阴极，作为阴极催化层。

8.一种氢氧燃料电池催化层，其特征在于，通过权利要求1至7之一所述的一种氢氧燃料电池催化层的制备方法制得。

9.一种膜电极，其特征在于，所述膜电极的气体扩散层上设有权利要求8所述的氢氧燃料电池催化层。

10.一种氢氧燃料电池，其特征在于，所述氢氧燃料电池具有权利要求9所述的膜电极。

技术总结
本发明提供了一种氢氧燃料电池催化层及其制备方法，包括：制备含Pt催化剂溶液；制备4‑巯基吡啶溶液；将4‑巯基吡啶溶液加入到催化剂溶液中混合；将4‑巯基吡啶‑含Pt催化剂混合溶液充分离心，取下层固形物重新配制4‑巯基吡啶‑含Pt催化剂混合溶液；将全氟磺酸基离聚物溶液加入到重新配制的4‑巯基吡啶‑Pt催化剂混合溶液中，制得催化剂混合溶液；催化剂混合溶液经充分分散后，喷涂在质子交换膜或气体扩散层上，得到催化层。本发明提供向催化剂引入4‑巯基吡啶，形成空间位阻结构，再引入全氟磺酸基离聚物，得到的催化层在电池活化后具有一定孔隙分布的离聚物结构，由于离聚物对反应三相界面气体传输阻碍减小，电池性能得以提高。

技术研发人员：邓呈维,周子阳,姬峰,郑博文,杨丞,杜玮,刘勇
受保护的技术使用者：上海空间电源研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16