催化层的制备方法、催化层、燃料电池与流程

本申请涉及燃料电池领域，尤其涉及燃料电池催化层。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfcs)是一类高效率的能量转换器件，主要以氢气为反应燃料，具有绿色无污染、燃料来源广泛等优点。膜电极(mea)作为pemfcs的核心反应场所，其性能决定了燃料电池的性能上限，也是降低燃料电池成本的关键。目前，膜电极的制备主要采用第二代ccm制备工艺，即采用各种涂覆技术将催化剂浆料喷涂在质子交换膜上。然而，催化层的制备中涉及到催化剂制备、浆料制备、浆料喷涂和催化层干燥等工艺，这会影响到催化层制备的一致性。此外，ccm工艺制备的mea，催化层往往不具有好的微观体相结构和较多的纳米尺度的多孔传输通道，这将引起催化层甚至膜电极的水气传输障碍，最终导致膜电极服役失效，特别是大电流密度下的性能衰退。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种催化层的制备方法、催化层、燃料电池，以解决ccm工艺制备的mea存在的一致性差、水气传输障碍的技术问题。

2、第一方面，本申请实施例提供一种催化层的制备方法，所述方法包括如下步骤：

3、提供支撑层，将所述支撑层浸泡到甲醇中；

4、将二甲基咪唑和硝酸锌溶解到浸泡有所述支撑层的甲醇中得到预制液，所述支撑层的表面反应形成金属有机框架，得到预制层；

5、将所述预制层洗净、干燥后，浸泡到混合溶液中，所述混合溶液的溶剂为醇溶剂和水中的至少一种，溶质包括过渡金属离子和氯铂酸；

6、将浸泡后的预制层干燥后在预定温度下和还原性气氛中热处理，使金属有机框架碳化，得到所述催化层。

7、在本申请的一些实施例中，所述支撑层为气体扩散层，所述将所述支撑层浸泡到甲醇中，包括如下步骤：

8、将所述气体扩散层浸泡到甲醇中，并保持所述气体扩散层的微孔层朝向上方。

9、在本申请的一些实施例中，所述预制液中，所述预制液中，甲醇、二甲基咪唑、硝酸锌的质量比为60-155：0.5-2：0.19-1。

10、在本申请的一些实施例中，所述过渡金属包括co、cu、fe、ni中的至少一种。

11、在本申请的一些实施例中，所述混合溶液的溶剂为甲醇和水的混合溶剂，甲醇和水的质量比为1：0.3-3；和/或，

12、所述混合溶液中，氯铂酸浓度的为0.005-0.05mol/l，过渡金属离子的浓度为0.02-0.2mol/l。

13、在本申请的一些实施例中，所述预定温度为600-800℃。

14、在本申请的一些实施例中，所述还原性气氛由氢气和氩气提供，其中氢气所占体积比为5％-20％。

15、在本申请的一些实施例中，所述金属有机框架碳化后，还在酸溶液中浸泡，随后进行洗涤、干燥。

16、第二方面，本申请实施例提供一种催化层，所述催化层由第一方面任一实施例所述的催化层的制备方法制备得到。

17、第三方面，本申请实施例提供一种燃料电池，所述燃料电池包括第二方面任一实施例所述的催化层。

18、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

19、本申请实施例提供的催化层的制备方法，通过将金属有机框架材料碳化后形成催化层，与现有ccm工艺完全不同，不存在制浆、涂覆和热压等操作工序，避免了多重工序带来的催化剂一致性问题。本申请在原位合成金属有机框架，性质均一，能够形成一致性较强的催化层。此外本申请得到的催化层是由金属有机框架碳化得到，其具有丰富的多孔纳米结构，能够形成大量的纳米尺度的多孔传输通道，有利于燃料电池运行效率的提高，尤其有利于大电流密度下燃料电池的工作。

技术特征：

1.一种催化层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的催化层的制备方法，其特征在于，所述支撑层为气体扩散层，所述将所述支撑层浸泡到甲醇中，包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的催化层的制备方法，其特征在于，所述预制液中，所述预制液中，甲醇、二甲基咪唑、硝酸锌的质量比为60-155：0.5-2：0.19-1。

4.根据权利要求1所述的催化层的制备方法，其特征在于，所述过渡金属包括co、cu、fe、ni中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的催化层的制备方法，其特征在于，所述混合溶液的溶剂为甲醇和水的混合溶剂，甲醇和水的质量比为1：0.3-3；和/或，

6.根据权利要求1所述的催化层的制备方法，其特征在于，所述预定温度为600-800℃。

7.根据权利要求1所述的催化层的制备方法，其特征在于，所述还原性气氛由氢气和氩气提供，其中氢气所占体积比为5％-20％。

8.根据权利要求1所述的催化层的制备方法，其特征在于，所述金属有机框架碳化后，还在酸溶液中浸泡，随后进行洗涤、干燥。

9.一种催化层，其特征在于，所述催化层由权利要求1-8中任意一项所述的催化层的制备方法制备得到。

10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求9所述的催化层。

技术总结
本申请涉及一种催化层的制备方法，所述方法包括如下步骤：提供支撑层，将所述支撑层浸泡到甲醇中；将二甲基咪唑和硝酸锌溶解到浸泡有所述支撑层的甲醇中得到预制液，所述支撑层的表面反应形成金属有机框架，得到预制层；将所述预制层洗净、干燥后，浸泡到混合溶液中，所述混合溶液的溶剂为醇溶剂和水中的至少一种，溶质包括过渡金属离子和氯铂酸；将浸泡后的预制层干燥后在预定温度下和还原性气氛中热处理，使金属有机框架碳化，得到所述催化层。本申请通过将金属有机框架材料碳化后形成催化层，在原位合成金属有机框架，性质均一，能够形成一致性较强的催化层。

技术研发人员：黄磊,罗昪,唐雪君,李洪涛,王智捷
受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15