一种改善燃料电池Pt-过渡金属合金催化剂传质极化的催化层的制备方法与流程

本发明涉及燃料电池膜电极组件，具体而言，尤其涉及一种改善燃料电池pt-过渡金属合金催化剂传质极化的催化层的制备方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是一种很有前途的技术，可以提供清洁、可持续的电力，特别是在交通运输领域。它们的高效率、可扩展的功率和能量密度证明了它们作为清洁能源转换技术的前景。膜电极(mea)作为质子交换膜燃料电池的重要组件，由催化层、质子交换膜和气体扩散层组成，其中催化层是燃料电池电化学反应的核心场所，因此，催化层中催化剂的性能直接影响整个电池的输出功率和寿命。目前商业化使用最多的仍然是pt/c催化剂，而由于pt价格昂贵，降低催化剂中的pt用量是未来发展的必经之路；目前也有很多pt-过渡金属合金催化剂(pt-m/c；m为：co、ni、fe等过渡金属)商业化应用，pt-m/c催化剂的采用不仅可以减少pt的用量，合金金属与pt之间几何效应、电子效应及协同效应等还可以有效的提升pt原子的分散性和比活性。

2、然而，pt-m/c催化剂虽然能够表现出很高的质量比活性，但在实际应用中由于电池工作的强酸环境，使得过渡金属溶出毒化催化层中的离聚物，这些污染物阳离子会优先与离聚物中的质子交换，阻碍离聚物的磺酸盐基团(-so3-)传导质子并抑制阴极催化剂层(ccl)内的o2传输(如图1所示)。

3、近年来，大多数的研究都集中在调整催化层浆料中树脂或分散剂含量或添加一些无机或有机添加剂，包括聚四氟乙烯(ptfe)、十六烷基三甲基溴化胺分散剂、功能助剂等改善催化剂层的性能及涂布状态。

4、但这些研究中催化剂层并没有将pt/c和pt-m/c催化剂区分开研究，实际上，合金原子的溶出会与催化层中离聚物的-so3-结合，过多的合金离子位点使离聚物结构变的紧密甚至扭曲，会使o2穿过离聚物的阻力变大，从而导致pt-m/c催化剂在使用中通常都会出现传质极化严重的现象。。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种改善燃料电池pt-过渡金属合金催化剂传质极化的催化层的制备方法。通过在pt-m/c催化剂层浆料配制过程中加入适量高pt含量的pt/c催化剂，调控整个催化层中pt与合金元素m的元素摩尔比，在保证催化层pt担载量不变的前提下，可以有效的减少合金的引入，防止大量的合金离子溶出毒化离聚物；除此之外，高pt含量的pt/c催化剂的引入可以减少催化层的厚度，从而进一步减小催化层的体相传质电阻。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明一方面提供一种改善燃料电池pt-过渡金属合金催化剂传质极化的催化层的制备方法，所述方法包括以下步骤：

4、(1)将pt-过渡金属合金催化剂和pt/c催化剂混合，加入分散剂，超声分散均匀，加入全氟磺酸离聚物溶液，搅拌，再采用高速剪切机进行剪切，得到催化剂浆料；

5、(2)将步骤(1)得到的催化剂浆料喷涂形成燃料电池催化层。

6、上述技术方案中，进一步地，所述分散剂为水、乙醇、异丙醇、丙二醇中一种或多种混合。

7、上述技术方案中，进一步地，所述全氟磺酸离聚物溶液中，全氟磺酸离聚物的质量分数为5wt％。

8、上述技术方案中，进一步地，所述pt-过渡金属合金催化剂包括pt-co/c、pt-ni/c、pt-fe/c中的一种。

9、上述技术方案中，进一步地，催化层中，pt与过渡金属的摩尔比为5-8：1。

10、上述技术方案中，进一步地，所述pt-过渡金属合金催化剂中，pt的含量为30wt％-50wt％，过渡金属的含量为2wt％-5wt％；所述pt/c催化剂中，pt的含量为50wt％-75wt％。

11、上述技术方案中，进一步地，全氟磺酸离聚物的质量与pt-过渡金属合金催化剂和pt/c催化剂中碳载体总质量之比为0.4～1.3：1。

12、本发明另一方面提供一种用于燃料电池的膜电极，包括质子交换膜、催化层，所述催化层为上述制备方法制得的催化层；所述催化层中pt在阴极的担载量为0.1～0.3mg/cm2，pt在阳极的担载量为0.02～0.1mg/cm2。

13、本发明的有益效果为：

14、1、相比于pt/c催化层，本发明制得的pt-m/c催化层不仅可以减少pt的用量，合金金属与pt之间几何效应、电子效应及协同效应等还可以有效的提升pt原子的分散性和比活性。相比于传统的pt-m/c催化层，本发明通过调控整个催化层中pt与合金元素的元素摩尔比，在保证催化层在相同pt负载量的基础上，不仅可以有效的减少催化层中合金原子的引入，而且通过引入高pt含量的pt/c催化剂，还会使催化层厚度减薄，更有利于传质。

15、2、本发明制得的催化层，不仅在极化曲线中的低电流密度区域发挥了pt-m/c催化剂的较强的活性，在高电流密度区域也大幅改善了其传质极化现象。

技术特征：

1.一种改善燃料电池pt-过渡金属合金催化剂传质极化的催化层的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为水、乙醇、异丙醇、丙二醇中一种或多种混合。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述pt-过渡金属合金催化剂包括pt-co/c、pt-ni/c、pt-fe/c中的一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，催化层中，pt与过渡金属的摩尔比为5-8：1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述pt-过渡金属合金催化剂中，pt的含量为30wt％-50wt％，过渡金属的含量为2wt％-5wt％；所述pt/c催化剂中，pt的含量为50wt％-75wt％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，全氟磺酸离聚物的质量与pt-过渡金属合金催化剂和pt/c催化剂中碳载体总质量之比为0.4～1.3：1。

7.一种用于燃料电池的膜电极，包括质子交换膜、催化层，其特征在于，所述催化层为权利要求1-6任一项所述制备方法制得的催化层；所述催化层中pt在阴极的担载量为0.1～0.3mg/cm2，pt在阳极的担载量为0.02～0.1mg/cm2。

技术总结
本发明涉及燃料电池膜电极组件技术领域，具体而言，尤其涉及一种改善燃料电池Pt‑过渡金属合金催化剂传质极化的催化层的制备方法。所述方法包括以下步骤：(1)将Pt‑过渡金属合金催化剂和Pt/C催化剂混合，加入分散剂，超声分散均匀，加入全氟磺酸离聚物溶液，搅拌，再采用高速剪切机进行剪切，得到催化剂浆料；(2)将步骤(1)得到的催化剂浆料喷涂形成燃料电池催化层。本发明制得的催化层，不仅在极化曲线中的低电流密度区域发挥了Pt‑M/C催化剂的较强的活性，在高电流密度区域也大幅改善了其传质极化现象。

技术研发人员：韩雪,李光伟,王强,李雯祺,许亭,韩志佳
受保护的技术使用者：新源动力股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/2/13