一种质子交换膜燃料电池用低铂催化层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池领域，涉及一种质子交换膜燃料电池催化层低钼担量的制备方法。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点，被视为用于固定电站、电动汽车、便携式电源的理想动力源。然后其要想成功的商业化，主要面临两方面问题一成本和寿命。在燃料电池组件中，催化剂的成本占了近一半，降低Pt担量是降低燃料电池成本的最直接方式。因此，优化电极制备工艺，使低钼催化剂具有较高的催化性能是目前低温燃料电池研究的当务之急，对于降低PEMFC的成本，加速其商业化进程具有极为重要的现实意义。传统制备方法的不足:碳载催化剂和电解质组分随机混合，无法保证其均匀性，无法有效的构筑质子、电子、气体的三相界面，催化层孔较致密，不利于传质，且较低担量时，电池性能很差。为克服传统制备方法的不足，现提出采用静电纺丝技术制备燃料电池催化层，Naf1n和Pt/C分散在纳米纤维表面，优化了三相界面，较大的孔隙率有利于电池在较低担量时，依然具有较好的性能。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于提供一种简便的质子交换膜燃料电池低钼催化层的制备方法。
[0004]本发明采用的技术方案是:
[0005]a)制备催化剂浆料:将Pt/C催化剂、Naf1n溶液和高分子粘结剂混合，超声2_4h，搅拌36-48h，得到浆料；
[0006]b)采用静电纺丝技术，对浆料进行纺丝，制备催化层；
[0007]c)步骤b)得到的催化层采用热压法转印到Naf1n膜，热压温度为135_145°C，热压压力为0.5-4Mpa，热压时间为2-4min，得到单侧膜电极。
[0008]步骤a)中Pt/C催化剂中Pt担载量为0.05-0.2mg cm 2, Naf1n溶液浓度为2% -10%o
[0009]步骤a)中的高分子粘结剂为聚合物高分子溶于异丙醇和水中的溶液，溶液浓度为 10-12.5%0
[0010]所述的聚合物高分子为聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯胺(PANI)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种。
[0011]溶液中，聚合物高分子、异丙醇与水的质量比为1:8:1-1:6:1。
[0012]步骤a)中Pt/C催化剂、Naf1n和高分子粘结剂的质量比为10:3:2-10:5:2。
[0013]步骤b)中所述的静电纺丝技术参数为:液体流速为0.5-1.0ml h \针尖距离接收板距离10-20cm，电压为10-18kV，接收时间为2_4h。
[0014]液体流速优选为0.7-0.9ml h \针尖距离接收板优选距离为10-12cm，电压优选为
9-10kV，接收时间优选为2-2.5h。
[0015]步骤b)中制备的催化层厚度为1-4 μ m。
[0016]步骤c)中热压压力优选为0.5_2MPa，时间优选为2_4min，热压温度优选为140。。-142。。。
[0017]本发明的原理是:利用静电纺丝技术，使得Pt/C、Naf1n、聚合物高分子呈纳米纤维结构，一步法直接制备催化层，转印到Naf1n膜,制备膜电极。
[0018]本发明的有益效果是:
[0019]l、Pt/C、Naf1n均匀分散在高分子纳米纤维表面，优化了质子、电子、气体传质的三相界面。
[0020]2、静电纺丝技术制备的催化层具有较好的孔结构、较大的孔隙率，有利于气体传质。
[0021]3、静电纺丝技术制备的阴极催化层担量为0.2mg cm 2时，电池最高功率密度优于商业化阴极担量为0.54mg cm 2的气体扩散电极。
[0022]4、静电纺丝制备的阴极催化层担量降低至0.056mg cm 2时，电池最高功率密度仍有 56Imw cm2。
【附图说明】
[0023]图1a为本发明制备的催化层SEM扫描图。
[0024]图1b为本发明制备的催化层经过0.5_2MPa，2_4min热压后的SEM扫描图。
[0025]图2为本发明制备的催化层与商业化气体扩散电极放电性能曲线。其中带圆形点的曲线是本发明制备的催化层测得的曲线，带方形点的曲线是商业化气体扩散电极测得的曲线。电池操作条件为:电池温度:65°C ;气体润湿度:100% ；H2流量:100mL min 1 ；Air流量:800mL min 1O
[0026]图3为本发明制备的超低Pt催化层放电性能曲线，阴极担量为0.056mg cm 2。电池操作条件为:电池温度:65°C ;气体润湿度:100% ;H2流量:100mL min 1 ;Air流量:800mLmin 1O
【具体实施方式】
[0027]以下结合实例对本发明做进一步说明
[0028]称取Ig聚合物高分子，溶于混合6g异丙醇、Ig水中，搅拌24h，制备12.5%的溶液。称取0.1g 40% P/C催化剂，0.6g Naf1n溶液(5% )，混合均匀，超声一段时间后加入高分子溶液0.2g，搅拌36h。然后采用静电纺丝技术制备催化层，条件参数为:液体流速为
0.8ml h \针尖距离接收板距离为10cm，电压为10kV，通过控制不同的接收时间，制备不同Pt担量的催化层。最后，将制备得到的催化层热压转印到Naf1n表面，热压温度140°C，热压压力0-2Mpa，热压时间2-4min，制备单侧膜电极，阳极采用商业化的气体扩散电极，在单电池评价装置上进行电化学性能评价，同时考察不同热压工艺对电池性能的影响。
[0029]阴极和阳极都采用商业化的气体扩散电极，制备膜电极，在单电池评价装置上进行电化学性能测试。
[0030]由SEM扫描图可以看出:Pt/C-Naf1n-高分子呈纳米纤维结构，纤维直接400nm左右(如图1a)，经过热压工艺后，纤维之间变得紧凑，有利于质子、电子通道的建立(如图lb)，但是压力过大，导致孔隙率过低不利于气体传输。最佳的热压条件是
0.5-2MPa, 2-4min。静电纺丝技术制备的催化层优化了三相界面，具有较好的孔结构，阴极钼担量为0.2mg cm 2时，电池性能优于商业化气体扩散电极(如图2)。降低阴极钼担量到
0.056mg cm 2时，电池最高功率密度仍有561mg cm 2 (如图3)。
【主权项】
1.一种质子交换膜燃料电池低钼催化层的制备方法，其特征在于: a)制备催化剂浆料:将Pt/C催化剂、Naf1n溶液和高分子粘结剂混合，超声2_4h，搅拌36-48h，得到浆料； b)采用静电纺丝技术，对浆料进行纺丝，制备催化层； c)步骤b)得到的催化层采用热压法转印到Naf1n膜，热压温度为135_145°C，热压压力为0.5-4Mpa，热压时间为2-4min，得到单侧膜电极。2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤a)中Pt/C催化剂中Pt担载量为 0.05-0.2mg cm 2，Naf1n 溶液浓度为 2% -10%ο3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤a)中的高分子粘结剂为聚合物高分子溶于异丙醇和水中的溶液，溶液浓度为10-12.5%。4.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于:所述的聚合物高分子为聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯胺(PANI)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种。5.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于:溶液中，聚合物高分子、异丙醇与水的质量比为1:8:1-1:6:1。6.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤a)中Pt/C催化剂、Naf1n和高分子粘结剂的质量比为10:3:2-10:5:2。7.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤b)中所述的静电纺丝技术参数为:液体流速为0.5-1.0ml h \针尖距离接收板距离10-20cm,电压为10_18kV,接收时间为2—4ho8.按照权利要求7所述的制备方法，其特征在于:液体流速优选为0.7-0.9mlh \针尖距离接收板优选距离为10-12cm，电压优选为9-10kV，接收时间优选为2_2.5h。9.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤b)中制备的催化层厚度为1-4 μ m010.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤C)中热压压力优选为0.5-2MPa，时间优选为2-4min，热压温度优选为140°C _142°C。
【专利摘要】本发明公开了一种质子交换膜燃料电池低铂催化层制备方法。该催化层通过静电纺丝技术，直接制备低担量的Pt/C-Nafion催化层，粘结剂可以选为PAA、PVA等聚合物高分子，其厚度为1-4μm。静电纺丝制备的催化层阴极担量为0.2mg？cm-2的单池最大功率密度为680mw？cm-2(H2-Air)优于商业化阴极担量为0.54mg？cm-2的气体扩散电极。并且当阴极担量降低至0.056mg？cm-2时，其最大功率密度仍具有561mw？cm-2。
【IPC分类】H01M4/88, H01M4/92
【公开号】CN105633421
【申请号】CN201410624103
【发明人】侯明, 洪绍景, 穆聪, 梁栋, 邵志刚
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2014年11月7日