本發(fā)明屬于燃料電池，具體的涉及一種燃料電池用催化層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、燃料電池作為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注和研究。燃料電池通過(guò)氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。在燃料電池中，催化層是關(guān)鍵組件之一，直接影響著電池的性能和效率。催化層的主要功能是促進(jìn)燃料和氧化劑在電極表面的電化學(xué)反應(yīng)，從而提高電池的輸出功率和穩(wěn)定性。

2、在低濕度或不加濕條件下，燃料電池的水管理尤為困難。質(zhì)子交換膜的水分在運(yùn)行過(guò)程中大量流失，既會(huì)造成催化層的形變，也會(huì)影響質(zhì)子傳輸效率。同時(shí)，目前使用的大部分水管理材料都具有較差的電導(dǎo)率，影響催化層中電子傳輸網(wǎng)絡(luò)的建立，從而影響電池的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供了一種燃料電池用催化層及其制備方法，能夠解決現(xiàn)目前燃料電池用催化層水管理效果差、采用的水管理材料導(dǎo)電性差的技術(shù)問(wèn)題。

2、本發(fā)明目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種燃料電池用催化層，包括陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑，所述陽(yáng)極催化層包括：pt-c催化劑、高介電小分子醇、磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒、親水性粘接劑、離聚物溶液、去離子水；

4、所述陰極催化層包括催化劑、離聚物溶液、高介電小分子醇、聚四氟乙烯、去離子水。

5、本發(fā)明的主要有益效果如下：本發(fā)明陽(yáng)極催化劑漿料中添加親水物質(zhì)，即使在低濕度條件或不加濕的條件，依然能夠支持大電流密度下的高效水管理；其中在陽(yáng)極催化劑中添加了磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒，磺化木質(zhì)素具有良好的親水性，且由于其高度分支的三維結(jié)構(gòu)，配合納米導(dǎo)電顆?？梢孕纬煞€(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高催化層的整體導(dǎo)電率，形成一加一大于二的效果；而聚四氟乙烯具有良好的疏水性能，當(dāng)電池在高電流密度下運(yùn)行時(shí)，陰極側(cè)會(huì)產(chǎn)生大量水，ptfe可以確保這些水迅速排出，避免陰極催化劑層被水淹沒(méi)，從而保持良好的氣體傳輸通道。

6、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述高介電小分子醇包括乙醇、乙二醇、正丙醇、異丙醇中至少一種。

7、本發(fā)明的主要有益效果如下：高介電小分子醇不僅可以提高催化層的電導(dǎo)率，從而改善電池的電化學(xué)性能，還能夠作為溶劑或分散劑，幫助催化劑在漿料中的均勻分散，從而提高催化層的均勻性和穩(wěn)定性。

8、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述離聚物溶液包括磺化聚醚醚酮溶液、磺化聚苯乙烯溶液、磺化聚砜溶液、磺化聚乙烯溶液、全氟磺酸樹脂溶液中的至少一種。

9、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述親水性粘接劑包括丙三醇和/或peg。

10、親水性粘結(jié)劑不僅可以作為分散劑，幫助催化劑顆粒在漿料中均勻分散，從而提高催化層的均勻性和穩(wěn)定性，還能夠改善催化層的水管理性能，確保質(zhì)子交換膜在低濕度或不加濕條件下的水分分布和傳輸。

11、在一個(gè)實(shí)施方式中，在所述陽(yáng)極催化層中，在所述pt-c催化劑中，pt的負(fù)載量為0.03~0.3?mg/cm2，所述離聚物溶液中的有效成分的質(zhì)量為所述pt-c催化劑中c的質(zhì)量的20~80%，所述pt-c催化劑的質(zhì)量為所述去離子水質(zhì)量的15~20%，所述去離子水和所述高介電小分子醇的質(zhì)量比為1:（1~4），所述磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒為所述pt-c催化劑質(zhì)量的0.5~5%，所述親水性粘接劑的質(zhì)量為所述去離子水質(zhì)量的3~5%；在所述陰極催化層中，催化劑為pt-c催化劑、ni-fe催化劑中的至少一種。在所述pt-c催化劑中，pt的負(fù)載量為0.3~0.7?mg/cm2，所述離聚物溶液中的有效成分的質(zhì)量為所述pt-c催化劑中c的質(zhì)量的30~80%，所述pt-c催化劑的質(zhì)量為所述去離子水質(zhì)量的15~20%，所述去離子水和所述高介電小分子醇的質(zhì)量比為1:（1~4），所述聚四氟乙烯的質(zhì)量為所述去離子水質(zhì)量的2~5%。

12、通過(guò)使用上述質(zhì)量區(qū)間的磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒能夠有效提高磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒在陽(yáng)極催化層中的親水效果和導(dǎo)電效果，且使磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒更加穩(wěn)定的存在于陽(yáng)極催化劑內(nèi)，如果所用質(zhì)量未在該區(qū)間內(nèi)，則磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒的導(dǎo)電性能和親水性能均會(huì)下降；

13、通過(guò)使用上述質(zhì)量區(qū)間的聚四氟乙烯能夠有效提高聚四氟乙烯在陰極催化層中的疏水效果和導(dǎo)電效果，且使聚四氟乙烯更加穩(wěn)定的存在于陰極催化劑內(nèi)，如果所用質(zhì)量未在該區(qū)間內(nèi)，則聚四氟乙烯的導(dǎo)電性能和疏水性能均會(huì)下降。

14、第二方面，本發(fā)明提供了一種燃料電池用催化層的制備方法，包括如下步驟：制備陽(yáng)極催化層：將所述陽(yáng)極催化層包含的原料混合后，刮涂在質(zhì)子交換膜的一側(cè)；制備陰極催化層：將所述陰極催化層包含的原料混合后，刮涂在質(zhì)子交換膜的另一側(cè)，即制得該燃料電池用催化層。

15、本發(fā)明提供的燃料電池用催化層簡(jiǎn)單方便，不需要復(fù)雜的裝置和苛刻的溫度等制備條件，大大降低了制備難度以及操作人員的操作難度。

16、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述原料的混合采用超聲混合、高速剪切混合、球磨混合、高壓均質(zhì)混合中的至少一種。

17、采用上述混合方式能夠使陽(yáng)極催化層和陰極催化層的結(jié)構(gòu)均更加穩(wěn)定，避免發(fā)生材料析出。

18、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述陽(yáng)極催化層和所述陰極催化層的厚度均分別為5~10?μm。

19、該厚度區(qū)間能保證陽(yáng)極催化層和陰極催化層在具有良好催化效率的同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致原料的浪費(fèi)。

20、本發(fā)明的有益效果在于：

21、本發(fā)明通過(guò)在陽(yáng)極催化劑漿料中添加親水導(dǎo)電聚合物（磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒），在陰極催化劑漿料中添加疏水材料（ptfe），實(shí)現(xiàn)了高效的水管理。具體而言，親水導(dǎo)電聚合物的添加可以吸收和保持水分，減少質(zhì)子交換膜的干燥現(xiàn)象，確保陽(yáng)極側(cè)的水分充足；而疏水材料ptfe的添加可以有效防止水淹現(xiàn)象，確保陰極側(cè)的水分迅速排出，保持良好的氣體傳輸通道，避免堵水引起的電堆高溫及功率降低。

22、此外，本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化催化劑漿料的配方，提高了催化層的電導(dǎo)率，從而改善了電池的電化學(xué)性能。親水導(dǎo)電聚合物和納米導(dǎo)電顆粒可以形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高電子和質(zhì)子的傳輸效率；高介電小分子醇的添加可以減少顆粒團(tuán)聚，提高粉體分布均勻度，同時(shí)促進(jìn)質(zhì)子的傳導(dǎo)，提高質(zhì)子交換膜的離子傳導(dǎo)率，從而提高電池的整體性能。通過(guò)在催化劑漿料中添加親水性粘結(jié)劑（如丙三醇、peg），本發(fā)明確保了催化劑顆粒在漿料中的均勻分散，提高了催化層的均勻性和穩(wěn)定性。親水性粘結(jié)劑可以降低催化劑顆粒之間的相互作用力，防止顆粒團(tuán)聚，確保催化劑在催化層中的均勻分布，從而確保催化層的厚度和均勻性，提高催化層的性能。

技術(shù)特征：

1.一種燃料電池用催化層，其特征在于，包括陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑，所述陽(yáng)極催化層包括：pt-c催化劑、高介電小分子醇、磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒、親水性粘接劑、離聚物溶液、去離子水；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用催化層，其特征在于，所述高介電小分子醇包括乙醇、乙二醇、正丙醇、異丙醇中至少一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用催化層，其特征在于，所述離聚物溶液包括磺化聚醚醚酮溶液、磺化聚苯乙烯溶液、磺化聚砜溶液、磺化聚乙烯溶液、全氟磺酸樹脂溶液中的至少一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用催化層，其特征在于，所述親水性粘接劑包括丙三醇和/或peg。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用催化層，其特征在于，所述陰極催化層中催化劑為pt-c催化劑、ni-fe催化劑中的至少一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池用催化層，其特征在于，在所述陽(yáng)極催化層中，在所述pt-c催化劑中，pt的負(fù)載量為0.03~0.3?mg/cm2，所述離聚物溶液中的有效成分的質(zhì)量為所述pt-c催化劑中c的質(zhì)量的20~80%，所述pt-c催化劑的質(zhì)量為所述去離子水質(zhì)量的15~20%，所述去離子水和所述高介電小分子醇的質(zhì)量比為1:（1~4），所述磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒為所述pt-c催化劑質(zhì)量的0.5~5%，所述親水性粘接劑的質(zhì)量為所述去離子水質(zhì)量的2~5%；

7.一種如權(quán)利要求1~5任意一項(xiàng)所述的燃料電池用催化層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

8.據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池用催化層的制備方法，其特征在于，所述原料的混合采用超聲混合、高速剪切混合、球磨混合、高壓均質(zhì)混合中的至少一種。

9.據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池用催化層的制備方法，其特征在于，所述陽(yáng)極催化層和所述陰極催化層的厚度均分別為5~10?μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池用催化層及其制備方法，該催化層包括陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑，所述陽(yáng)極催化層包括：Pt?C催化劑、高介電小分子醇、磺化木質(zhì)素?fù)诫s的導(dǎo)電聚合物納米顆粒、親水性粘接劑、離聚物溶液、去離子水；所述陰極催化層包括催化劑、離聚物溶液、高介電小分子醇、聚四氟乙烯、去離子水；其能夠解決現(xiàn)目前燃料電池用催化層水管理效果差、采用的水管理材料導(dǎo)電性差的技術(shù)問(wèn)題；而該制備方法簡(jiǎn)單方便，大大降低了制備難度以及操作人員的操作難度。

技術(shù)研發(fā)人員：范宗波,周梅,梁紹龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：四川輕綠科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19