一种燃料电池用亲水催化层及其制备方法与流程

本发明属于燃料电池，具体涉及一种燃料电池用亲水催化层及其制备方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为直流电的电化学能量转换器。工作原理是氢气在阳极侧被催化氧化h+后，与阴极侧氧气经催化反应生成水。因其环境友好零排放，高效率，无噪声且重量轻等优点，在汽车、叉车，公交车等领域已投入大量开发与应用。

2、催化层是燃料电池的核心组成部分，进行能量转换的电化学反应就发生在催化层表面。因此催化层不仅要有足够多的催化活性位点，还要有足够小的传质阻力，而催化层中的水传输对传质阻力有至关重要的影响。良好的水管理能力要求燃料电池低电流密度下保证质子膜良好的水合程度，增强质子传输能力；而在高电流密度下促进排水，防止电池发生水淹。

3、目前的燃料电池催化层表面都较为疏水，对湿度变化较为敏感，尤其是低湿工况下传质阻力很大，这在很大程度上阻碍了膜电极性能，降低了膜电极对低湿工况的适应性。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种燃料电池用亲水催化层及其制备方法。本发明的目的是针对燃料电池催化层，提出一种改变催化层表面亲疏水性的方法，不仅能够增强膜电极在低湿工况下的性能，而且操作简单、成本低廉。

2、为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池用亲水催化层的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤s1、依次将铂基催化剂、超纯水、有机醇和全氟磺酸离聚物溶液混合后置于超声波发生装置中超声处理，得到分散均匀的催化剂浆料；

5、步骤s2、将步骤s1得到的催化剂浆料进行涂布，干燥2-3min得到表面疏水的催化层；

6、步骤s3、将步骤s2得到的催化层进行等离子表面改性处理，处理后的催化层接触角在10°-80°之间。

7、进一步地，步骤s1中，所述催化剂浆料的固含量为1-30％，按质量比计，i/c为0.8-1.1，水醇比为3-6：1；

8、所述超声波发生装置的功率为10-10000w，超声处理的时间为10-300min。

9、进一步地，步骤s2中，所述催化剂浆料涂布在ptfe基材或pem或者gdl材料上，涂布方式包括线棒刮涂、超声喷涂以及狭缝涂布中的一种。

10、进一步地，步骤s3中，所述等离子发射装置的功率为1-1000w，等离子处理时间为1-600min；

11、等离子处理所通入的工艺气体包括氧气、氮气、氩气、空气、氩氢混合气体及cf4中的一种或几种。

12、进一步地，所述催化剂为铂基催化剂或非铂基催化剂，其中所述铂基催化剂包括pt/c、ptco/c、ptni/c及ptcomn/c，所述非铂基催化剂包括fen/c和pd/c。

13、第二方面，本发明实施例提供了一种燃料电池用亲水催化层，采用第一方面所述的制备方法制成。

14、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

15、等离子体是由中性粒子、离子和电子组成的集合，等离子处理就是先对工艺气体(空气、氮气、氩气，氧气等)施加电场使之电离成为等离子体，后利用这些活性组分的性质，进行氧化、还原、裂解、交联等反应，改变样品表面性质，优化材料表面性能。

16、本发明在真空条件下，使用等离子体轰击催化层表面，使催化层表面分子的化学键被打开并与等离子体中的自由基结合。根据工艺气体的不同，在催化层表面加成特定的官能团(-cooh,c-o,-oh，nh2-)。官能团的引入，特别是含氧官能团，对改善材料的表面能以及润湿性起着明显的作用。并且在等离子处理过程中会伴随发生一定程度的等离子刻蚀，也就是等离子体与催化层表面的碳发生反应，生成挥发性气体除去。因为等离子处理只与材料表层发生物理化学反应，作用深度在表层几十到几百纳米，因此发生的刻蚀不会影响材料的固有特性，但其产生的一些孔隙在增加三相界面的催化活性位点的同时，还降低了输气和排水阻力，可以有效提升pemfc性能。

技术特征：

1.一种燃料电池用亲水催化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的燃料电池用亲水催化层的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述催化剂浆料的固含量为1-30%，按质量比计，i/c为0.8-1.1，水醇比为3-6：1；

3.根据权利要求1所述的燃料电池用亲水催化层的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述催化剂浆料涂布在ptfe基材或pem或者gdl材料上；

4.根据权利要求1所述的燃料电池用亲水催化层的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述等离子发射装置的功率为1-1000w，等离子处理时间为1-600min；

5.根据权利要求1所述的燃料电池用亲水催化层的制备方法，其特征在于，所述催化剂为铂基催化剂或非铂基催化剂，其中所述铂基催化剂包括pt/c、ptco/c、ptni/c及ptcomn/c，所述非铂基催化剂包括fen/c和pd/c。

6.一种燃料电池用亲水催化层，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的制备方法制成。

技术总结本发明提供一种燃料电池用亲水催化层及其制备方法，制备方法包括以下步骤：步骤S1、依次将铂基催化剂、超纯水、有机醇和全氟磺酸离聚物溶液混合后置于超声波发生装置中超声处理，得到分散均匀的催化剂浆料；步骤S2、将步骤S1得到的催化剂浆料进行涂布，干燥2‑3min得到表面疏水的催化层；步骤S3、将步骤S2得到的催化层进行等离子表面改性处理，处理后的催化层接触角在10°‑80°之间。本发明的目的是针对燃料电池催化层的疏水性，提出一种改变催化层表面亲疏水性的方法，不仅能够增强膜电极在低湿工况下的性能，而且操作简单、成本低廉。技术研发人员：王崇玲,刘凯,许笑目,张佳加,常志新,张义煌受保护的技术使用者：无锡威孚高科技集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17