一种燃料电池的阴极有序化催化层及其制备方法与应用与流程

本发明涉及燃料电池阴极催化层的，尤其是指一种使用热转印技术和热贴合技术制备有序化梯度、高传质、高耐久、低载量的优质阴极催化层方法及其应用。

背景技术：

1、当今世界面临着化石能源的日益减少，甚至枯竭，以及人类对保护环境高要求，急需一种环境友好型能源的出现，燃料电池应运进入到我们的视线，燃料电池是氢氧通过化学反应产生人类史上最伟大的发明之一电能，同时燃料电池的排放为水。所以燃料电池成为了能源科学和电化学领域的一个研究热点，同时燃料电池特点还有操作温度低、能量效率高、燃料可再生等特点。燃料电池中膜电极制备技术是燃料电池最核心的技术之一，同时膜电极制备技术也是质子交换膜燃料电池研究中最难突破技术之一。

2、研究发现现阶段燃料电池ccm催化层都是单一形貌催化层，优点缺点明显，如现有技术中直接喷涂制备催化层，优点是表面缺陷少，缺点是传质效率受催化层厚度影响严重，制备效率低，反应界面利用不完全，耐久性差，浆料利用率低等；也有直接涂布制备催化层，优点是传质效率较高，制备效率高，反应界面利用率高，浆料利用率较高，缺点催化层表面缺陷严重，易造成催化层脱落，自增湿性能较差，对湿度敏感，影响耐久性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了燃料电池的阴极有序化催化层及其制备方法与应用。本发明从材料以及制备方式上做出了创新，制备出梯度高传质、高耐久、低铂载量有序化分布且具备良好的自增湿能力的优质阴极催化层。

2、本发明的第一个目的在于提供一种燃料电池的阴极有序化催化层，所述燃料电池的阴极有序化催化层包括分别设置于e-ptfe层两侧的第一梯度催化层和第二梯度催化层；

3、所述第一梯度催化层包括纯铂催化剂、石墨化碳载体；

4、所述第二梯度催化层包括铂合金催化剂；进一步地，优选铂钴合金催化剂

5、所述e-ptfe层为微孔结构。

6、在本发明的一个实施例中，至少满足以下条件中的一种或多种：

7、所述e-ptfe层的厚度为3-4μm

8、所述e-ptfe层中微孔直径为0.2-0.5μm；

9、所述第一梯度催化层厚度为2-3μm；

10、所述第二梯度催化层厚度为1-2μm；

11、所述铂基催化剂含量为40wt％-60wt％；

12、所述碳材料载体选自石墨化碳材料；进一步地，所述石墨化的碳材料包括介孔碳、碳纳米管、碳黑等。

13、本发明的第二个目的在于提供一种燃料电池的阴极有序化催化层的制备方法，包括以下步骤：

14、提供含铂基催化剂和碳材料的第一浆料以及含铂钴合金催化剂的第二浆料；

15、将第一浆料涂布于pet离型膜一侧形成第一梯度催化层，在远离离型膜另一侧的第一梯度催化层的表面设置e-ptfe层；

16、在e-ptfe层表面涂布第二浆料，形成第二梯度催化层，得到所述燃料电池的阴极有序化催化层。

17、在本发明的一个实施例中，至少满足以下条件中的一种或多种：

18、所述第一浆料的i/c值为1.8-2.5；其中，i/c是指全氟磺酸溶液和催化剂的质量比。

19、所述第一浆料的溶剂为第一全氟磺酸溶液、第一ptfe乳液、水以及第一醇类溶剂；

20、所述第一全氟磺酸溶液、第一ptfe乳液、水以及第一醇类溶剂的体积比为1.5～2.5：0.5～1.5：4～7：8～9；

21、所述第二浆料的i/c比为0.8-1.2；

22、所述第二浆料的溶剂为第二全氟磺酸溶液、第二ptfe乳液、水以及第二醇类溶剂；

23、所述第二全氟磺酸溶液、第二ptfe乳液、水以及第二醇类溶剂的体积比为1.2～1.8：0.5～1：3～5：6～8。

24、在本发明的一个实施例中，所述第一浆料的涂布载量为0.1mg/cm2-0.15mg/cm2，所述第二浆料的涂布载量为0.1mg/cm2-0.15mg/cm2。

25、本发明的第三个目的在于提供一种梯度有序的燃料电池的催化剂层，包括阳极催化层和所述阴极有序化催化层。

26、本发明的第四个目的在于提供所述梯度有序的催化剂层的制备方法，包括以下步骤：

27、提供含石墨化纯铂催化剂的阳极浆料；

28、将所述阳极浆料平铺在转印基材上，并利用热压设备制备阳极催化层；

29、在所述阳极催化层设置质子交换膜，质子交换膜与所述阴极催化层中第二梯度催化层贴合；

30、利用热压设备在加压条件下进行热转印和热贴合操作；

31、去除阳极催化层中转印基材以及阴极催化层的pet离型膜，得到所述梯度有序的催化剂层。

32、在本发明的一个实施例中，至少满足以下条件中的一种或多种：

33、所述转印基材为e-fep；

34、所述阳极浆料的负载量为0.05mg/cm2-0.15mg/cm2；

35、所述阳极催化层的厚度为2-3μm；

36、制备阳极催化层时，热压设备的参数为加压30-35千克每平方厘米、加热温度125℃-150℃、热压时间120s-150s；

37、所述热转印和热贴合的条件参数为，加热温度为125℃-150℃，热压时间为120s-150s、加压30-35千克/平方厘米。

38、本发明的第五个目的在于提供一种膜电极，包括所述的燃料电池的催化剂层。

39、本发明的第六个目的在于提供一种燃料电池，包括所述的膜电极。

40、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

41、本发明采用以e-ptfe内微孔为界面外骨架制备梯度、高传质、高耐久、低铂载量有序化分布且具备良好的自增湿能力的优质阴极催化层以及膜电极组件，以解决催化层表面缺陷、催化层厚度影响传质、浆料利用率低、界面利用率低、对运行湿度要求高、耐久性差、铂载量高等问题。

技术特征：

1.一种燃料电池的阴极有序化催化层，其特征在于，所述阴极有序化催化层包括分别设置于e-ptfe层两侧的第一梯度催化层和第二梯度催化层；

2.根据权利要求1所述的阴极有序化催化层，其特征在于，至少满足以下条件中的一种或多种：

3.一种如权利要求1或2所述的阴极有序化催化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的阴极有序化催化层的制备方法，其特征在于，至少满足以下条件中的一种或多种：

5.根据权利要求1所述的阴极有序化催化层的制备方法，其特征在于，所述第一浆料的涂布载量为0.1mg/cm2-0.15mg/cm2，所述第二浆料的涂布载量为0.1mg/cm2-0.15mg/cm2。

6.一种梯度有序的燃料电池的催化剂层，其特征在于，包括阳极催化层和权利要求1或2中所述阴极有序化催化层。

7.一种如权利要求6中所述梯度有序的燃料电池的催化剂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述梯度有序的催化剂层的制备方法，其特征在于，至少满足以下条件中的一种或多种：

9.一种膜电极，其特征在于，包括权利要求6所述的梯度有序的燃料电池的催化剂层。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求9中所述的膜电极。

技术总结
本发明涉及一种燃料电池的阴极有序化催化层及其制备方法与应用。所述阴极有序化催化层包括分别设置于e‑PTFE层两侧的第一梯度催化层和第二梯度催化层；所述第一梯度催化层包括纯铂催化剂、碳材料碳载体；所述第二梯度催化层包括铂合金催化剂；所述e‑PTFE层为微孔结构。本发明从材料以及制备方式上做出了创新，制备出梯度高传质、高耐久、低铂载量有序化分布且具备良好的自增湿能力的优质阴极催化层。

技术研发人员：贾璐,张鑫,徐攀,吴金凤,战立俊,何小寒,王海峰
受保护的技术使用者：浙江锋源氢能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22