质子交换膜燃料电池催化层的制备方法及膜电极与流程

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法及膜电极。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfcs)作为实现全球经济可持续和绿色发展的重要装置，已广泛应用于交通运输、发电、工程机械等领域。其中，交通运输领域作为燃料电池最大的应用场景。在轻型乘用车(ldv)领域，以日本丰田、韩国现代等整车厂商已实现商业化推广。近来，燃料电池汽车应用焦点逐渐转向重型车(hdv)，但是对比传统内燃机，目前燃料电池汽车成本仍较高，尤其是hdv车型，整体运行寿命需求高达20000小时以上，因此需要进一步提升电池性能和降低燃料电池贵金属催化剂用量。

2、全氟磺酸聚合物由于其高质子传导、化学稳定性和强酸性而被广泛应用于催化层离子聚合物，但全氟磺酸聚合物的使用会对燃料电池造成负面影响。尤其是随着贵金属用量的降低(尤其是低至0.3mg/cm2以下)，全氟磺酸聚合物对电池的负面影响更加严重，使用全氟磺酸聚合物的燃料电池性能不仅出现一定程度的下降，寿命也呈现下降趋势。

3、尽管目前已经开发了介孔碳载体催化剂和高氧透过性离子聚合物(hopi)等新型材料，但这些材料尚未规模化推广以及材料使用成本等因素导致新材料应用并未得到普及。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，该方法制得的催化层能够在低催化剂载量的情况下满足膜电极高性能输出。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，包括：

3、制备阳极催化层；所述阳极催化层由第一浆料涂布而成，所述第一浆料至少包括第一催化剂和全氟磺酸离聚物；

4、制备阴极催化层；所述阴极催化层由第二浆料和第三浆料涂布而成；所述第二浆料至少包括第二催化剂和导电聚合物，所述第三浆料至少包括全氟磺酸离聚物。

5、可选地，所述导电聚合物包括聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吲哚中的一种或多种。

6、可选地，按质量百分比计，所述导电聚合物在所述第二浆料中的含量为0-5％。

7、可选地，所述第一浆料经雾化后涂布于质子交换膜的阳极侧；

8、所述第二浆料和所述第三浆料经雾化后，同时涂布与质子交换膜的阴极侧；所述导电聚合物包覆所述第二催化剂，所述第三浆料分散于所述导电聚合物的外侧。

9、可选地，在所述第一浆料和所述第三浆料中，所述全氟磺酸离聚物的ew值为700g/mol-1200g/mol。

10、可选地，所述第一催化剂和所述第二催化剂为碳载铂基催化剂、氧化物载铂基催化剂中的一种或多种。

11、可选地，所述第一浆料和所述第二浆料中，还包括去离子水；

12、所述第一浆料、所述第二浆料和所述第三浆料中还包括醇溶剂，所述醇溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇中的一种或多种。

13、可选地，所述第二催化剂为高表面积碳载体催化剂，按质量百分比计，所述导电聚合物在所述第二浆料中的含量为1.0％。

14、可选地，所述第二催化剂为石墨化碳载体催化剂，按质量百分比计，所述导电聚合物在所述第二浆料中的含量为3.0％。

15、本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极，所述质子交换膜燃料电池膜电极的催化层通过上述方法制得。

16、本发明的有益效果为：

17、(1)本发明在阴极催化层的浆料中，加入了导电聚合物。通过导电聚合物修饰后，催化剂表面形成数纳米厚的导电聚合物包覆层，从而可以降低全氟磺酸离聚物中磺酸根离子对于催化剂pt活性位点的吸附作用。在高电流密度下，没有导电聚合物修饰的电极因为磺酸根离子的毒化作用导致高电流密度下活性位点不足，因此对于阴极使用不同催化剂的电极，经由导电聚合物修饰的电极性能高于无导电聚合物修饰的电极性能。

18、(2)本发明进一步发现，当阴极使用不同类型的催化剂时，其最佳导电聚合物的加入量不同。对于高比表面积碳载体催化剂膜电极，导电聚合物含量为1.0％的电极呈现出最佳的极化性能。对于石墨化催化剂膜电极，导电聚合物含量为3.0％的电极呈现出更佳的极化性能。经由导电聚合物修饰的膜电极性能与导电聚合物添加量和催化剂种类相关，高比表面积碳载体催化剂膜电极实现最佳性能所需的导电聚合物添加量要低于石墨化碳载体催化剂膜电极，这主要是由于高比表面积碳载体催化剂铂纳米颗粒可以同时负载于碳载体表面和内部，而石墨化碳载体催化剂铂纳米颗粒主要负载于碳载体表面，因此在相同的铂载量下，石墨化碳载体催化剂需要更多的导电聚合物才能实现催化剂的包覆保护。

技术特征：

1.一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述导电聚合物包括聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吲哚中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述导电聚合物在所述第二浆料中的含量为0-5％。

4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述第一浆料经雾化后涂布于质子交换膜的阳极侧；

5.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，在所述第一浆料和所述第三浆料中，所述全氟磺酸离聚物的ew值为700g/mol-1200g/mol。

6.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述第一催化剂和所述第二催化剂为碳载铂基催化剂、氧化物载铂基催化剂中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述第一浆料和所述第二浆料中，还包括去离子水；

8.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述第二催化剂为高表面积碳载体催化剂，按质量百分比计，所述导电聚合物在所述第二浆料中的含量为1.0％。

9.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述第二催化剂为石墨化碳载体催化剂，按质量百分比计，所述导电聚合物在所述第二浆料中的含量为3.0％。

10.一种质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池膜电极的催化层通过如权利要求1-9任意一项所述的方法制得。

技术总结
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，包括：制备阳极催化层；所述阳极催化层由第一浆料涂布而成，所述第一浆料至少包括第一催化剂和全氟磺酸离聚物；制备阴极催化层；所述阴极催化层由第二浆料和第三浆料涂布而成；所述第二浆料至少包括第二催化剂和导电聚合物，所述第三浆料至少包括全氟磺酸离聚物。通过导电聚合物修饰后，催化剂表面形成数纳米厚的导电聚合物包覆层，从而可以降低全氟磺酸离聚物中磺酸根离子对于催化剂Pt活性位点的吸附作用。

技术研发人员：贺阳,孙毅,徐茜茜,李庆福,张伟,孙丽君,杨铠,沙琳俊,钟国敏,张旭
受保护的技术使用者：航天氢能（上海）科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12