一種質(zhì)子交換膜燃料電池用低鉑催化層的制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池領域，涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池催化層低鉬擔量的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動、環(huán)境友好等優(yōu)點，被視為用于固定電站、電動汽車、便攜式電源的理想動力源。然后其要想成功的商業(yè)化，主要面臨兩方面問題一成本和壽命。在燃料電池組件中，催化劑的成本占了近一半，降低Pt擔量是降低燃料電池成本的最直接方式。因此，優(yōu)化電極制備工藝，使低鉬催化劑具有較高的催化性能是目前低溫燃料電池研究的當務之急，對于降低PEMFC的成本，加速其商業(yè)化進程具有極為重要的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)制備方法的不足:碳載催化劑和電解質(zhì)組分隨機混合，無法保證其均勻性，無法有效的構(gòu)筑質(zhì)子、電子、氣體的三相界面，催化層孔較致密，不利于傳質(zhì)，且較低擔量時，電池性能很差。為克服傳統(tǒng)制備方法的不足，現(xiàn)提出采用靜電紡絲技術(shù)制備燃料電池催化層，Naf1n和Pt/C分散在納米纖維表面，優(yōu)化了三相界面，較大的孔隙率有利于電池在較低擔量時，依然具有較好的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于提供一種簡便的質(zhì)子交換膜燃料電池低鉬催化層的制備方法。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0005]a)制備催化劑漿料:將Pt/C催化劑、Naf1n溶液和高分子粘結(jié)劑混合，超聲2_4h，攪拌36-48h，得到漿料；
[0006]b)采用靜電紡絲技術(shù)，對漿料進行紡絲，制備催化層；
[0007]c)步驟b)得到的催化層采用熱壓法轉(zhuǎn)印到Naf1n膜，熱壓溫度為135_145°C，熱壓壓力為0.5-4Mpa，熱壓時間為2-4min，得到單側(cè)膜電極。
[0008]步驟a)中Pt/C催化劑中Pt擔載量為0.05-0.2mg cm 2, Naf1n溶液濃度為2% -10%o
[0009]步驟a)中的高分子粘結(jié)劑為聚合物高分子溶于異丙醇和水中的溶液，溶液濃度為 10-12.5%0
[0010]所述的聚合物高分子為聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯胺(PANI)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一種。
[0011]溶液中，聚合物高分子、異丙醇與水的質(zhì)量比為1:8:1-1:6:1。
[0012]步驟a)中Pt/C催化劑、Naf1n和高分子粘結(jié)劑的質(zhì)量比為10:3:2-10:5:2。
[0013]步驟b)中所述的靜電紡絲技術(shù)參數(shù)為:液體流速為0.5-1.0ml h \針尖距離接收板距離10-20cm，電壓為10-18kV，接收時間為2_4h。
[0014]液體流速優(yōu)選為0.7-0.9ml h \針尖距離接收板優(yōu)選距離為10-12cm，電壓優(yōu)選為
9-10kV，接收時間優(yōu)選為2-2.5h。
[0015]步驟b)中制備的催化層厚度為1-4 μ m。
[0016]步驟c)中熱壓壓力優(yōu)選為0.5_2MPa，時間優(yōu)選為2_4min，熱壓溫度優(yōu)選為140。。-142。。。
[0017]本發(fā)明的原理是:利用靜電紡絲技術(shù)，使得Pt/C、Naf1n、聚合物高分子呈納米纖維結(jié)構(gòu)，一步法直接制備催化層，轉(zhuǎn)印到Naf1n膜,制備膜電極。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019]l、Pt/C、Naf1n均勻分散在高分子納米纖維表面，優(yōu)化了質(zhì)子、電子、氣體傳質(zhì)的三相界面。
[0020]2、靜電紡絲技術(shù)制備的催化層具有較好的孔結(jié)構(gòu)、較大的孔隙率，有利于氣體傳質(zhì)。
[0021]3、靜電紡絲技術(shù)制備的陰極催化層擔量為0.2mg cm 2時，電池最高功率密度優(yōu)于商業(yè)化陰極擔量為0.54mg cm 2的氣體擴散電極。
[0022]4、靜電紡絲制備的陰極催化層擔量降低至0.056mg cm 2時，電池最高功率密度仍有 56Imw cm2。
【附圖說明】
[0023]圖1a為本發(fā)明制備的催化層SEM掃描圖。
[0024]圖1b為本發(fā)明制備的催化層經(jīng)過0.5_2MPa，2_4min熱壓后的SEM掃描圖。
[0025]圖2為本發(fā)明制備的催化層與商業(yè)化氣體擴散電極放電性能曲線。其中帶圓形點的曲線是本發(fā)明制備的催化層測得的曲線，帶方形點的曲線是商業(yè)化氣體擴散電極測得的曲線。電池操作條件為:電池溫度:65°C ;氣體潤濕度:100% ；H2流量:100mL min 1 ；Air流量:800mL min 1O
[0026]圖3為本發(fā)明制備的超低Pt催化層放電性能曲線，陰極擔量為0.056mg cm 2。電池操作條件為:電池溫度:65°C ;氣體潤濕度:100% ;H2流量:100mL min 1 ;Air流量:800mLmin 1O
【具體實施方式】
[0027]以下結(jié)合實例對本發(fā)明做進一步說明
[0028]稱取Ig聚合物高分子，溶于混合6g異丙醇、Ig水中，攪拌24h，制備12.5%的溶液。稱取0.1g 40% P/C催化劑，0.6g Naf1n溶液(5% )，混合均勻，超聲一段時間后加入高分子溶液0.2g，攪拌36h。然后采用靜電紡絲技術(shù)制備催化層，條件參數(shù)為:液體流速為
0.8ml h \針尖距離接收板距離為10cm，電壓為10kV，通過控制不同的接收時間，制備不同Pt擔量的催化層。最后，將制備得到的催化層熱壓轉(zhuǎn)印到Naf1n表面，熱壓溫度140°C，熱壓壓力0-2Mpa，熱壓時間2-4min，制備單側(cè)膜電極，陽極采用商業(yè)化的氣體擴散電極，在單電池評價裝置上進行電化學性能評價，同時考察不同熱壓工藝對電池性能的影響。
[0029]陰極和陽極都采用商業(yè)化的氣體擴散電極，制備膜電極，在單電池評價裝置上進行電化學性能測試。
[0030]由SEM掃描圖可以看出:Pt/C-Naf1n-高分子呈納米纖維結(jié)構(gòu)，纖維直接400nm左右(如圖1a)，經(jīng)過熱壓工藝后，纖維之間變得緊湊，有利于質(zhì)子、電子通道的建立(如圖lb)，但是壓力過大，導致孔隙率過低不利于氣體傳輸。最佳的熱壓條件是
0.5-2MPa, 2-4min。靜電紡絲技術(shù)制備的催化層優(yōu)化了三相界面，具有較好的孔結(jié)構(gòu)，陰極鉬擔量為0.2mg cm 2時，電池性能優(yōu)于商業(yè)化氣體擴散電極(如圖2)。降低陰極鉬擔量到
0.056mg cm 2時，電池最高功率密度仍有561mg cm 2 (如圖3)。
【主權(quán)項】
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池低鉬催化層的制備方法，其特征在于: a)制備催化劑漿料:將Pt/C催化劑、Naf1n溶液和高分子粘結(jié)劑混合，超聲2_4h，攪拌36-48h，得到漿料； b)采用靜電紡絲技術(shù)，對漿料進行紡絲，制備催化層； c)步驟b)得到的催化層采用熱壓法轉(zhuǎn)印到Naf1n膜，熱壓溫度為135_145°C，熱壓壓力為0.5-4Mpa，熱壓時間為2-4min，得到單側(cè)膜電極。2.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟a)中Pt/C催化劑中Pt擔載量為 0.05-0.2mg cm 2，Naf1n 溶液濃度為 2% -10%ο3.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟a)中的高分子粘結(jié)劑為聚合物高分子溶于異丙醇和水中的溶液，溶液濃度為10-12.5%。4.按照權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于:所述的聚合物高分子為聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯胺(PANI)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一種。5.按照權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于:溶液中，聚合物高分子、異丙醇與水的質(zhì)量比為1:8:1-1:6:1。6.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟a)中Pt/C催化劑、Naf1n和高分子粘結(jié)劑的質(zhì)量比為10:3:2-10:5:2。7.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟b)中所述的靜電紡絲技術(shù)參數(shù)為:液體流速為0.5-1.0ml h \針尖距離接收板距離10-20cm,電壓為10_18kV,接收時間為2—4ho8.按照權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于:液體流速優(yōu)選為0.7-0.9mlh \針尖距離接收板優(yōu)選距離為10-12cm，電壓優(yōu)選為9-10kV，接收時間優(yōu)選為2_2.5h。9.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟b)中制備的催化層厚度為1-4 μ m010.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟C)中熱壓壓力優(yōu)選為0.5-2MPa，時間優(yōu)選為2-4min，熱壓溫度優(yōu)選為140°C _142°C。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池低鉑催化層制備方法。該催化層通過靜電紡絲技術(shù)，直接制備低擔量的Pt/C-Nafion催化層，粘結(jié)劑可以選為PAA、PVA等聚合物高分子，其厚度為1-4μm。靜電紡絲制備的催化層陰極擔量為0.2mg？cm-2的單池最大功率密度為680mw？cm-2(H2-Air)優(yōu)于商業(yè)化陰極擔量為0.54mg？cm-2的氣體擴散電極。并且當陰極擔量降低至0.056mg？cm-2時，其最大功率密度仍具有561mw？cm-2。
【IPC分類】H01M4/88, H01M4/92
【公開號】CN105633421
【申請?zhí)枴緾N201410624103
【發(fā)明人】侯明, 洪紹景, 穆聰, 梁棟, 邵志剛
【申請人】中國科學院大連化學物理研究所
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2014年11月7日