[发明专利]一种提高聚合物催化剂层性能的方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种提高聚合物催化剂层性能的方法。聚合物催化剂层包括：载体，负载在载体上催化剂层；催化剂层包括催化剂粉末和离聚物，离聚物用于将所述催化剂粉末粘结在所述载体上；所述方法包括：溶剂退火步骤：将聚合物催化剂层与有机溶剂的水溶液接触，实现所述催化层结构中离聚物的重新分布。相比于热压工艺来说，本发明的溶剂退火是将溶剂引入催化层中，使得离子交换膜、离聚物组分与催化剂之间重新融合，以期获得催化层中更理想的离聚物分布的处理方法。此方法降低了膜电极的离子传递阻抗，恢复了催化剂中的活性组份被离聚物覆盖而丢失的活性位点，显著提高了催化层中三相位点的数量，提升了催化剂的利用率。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种提高聚合物催化剂层性能的方法。

背景技术

自威廉·格鲁夫爵士研制了第一个燃料电池以来，研究人员致力于通过优化电池结构部件，改良电池制造工艺等方式提高在燃料电池的性能并延长其使用寿命，然而燃料电池性能方面的大多数突破都与所谓的三相界面位点的增加有关。例如，当金属铂被制成纳米颗粒，并支撑在炭黑上时，通过与离聚体和分散溶剂的混合形成浆料，催化剂浆料通过以喷涂、刮涂或转印等方式制备在膜上形成催化层，在此过程中便在催化层中形成了大量的三相位点。由于实际的反应位点在铂表面，铂纳米离子深深的嵌入碳载体中，并且被离子离聚物覆盖。但它不像液体电解质那样深入到电极，因此铂的利用率通常很低，并且反应区域仅限于铂/碳电极与膜之间的接触面。电极反应在铂表面发生，产生的电子通过碳载体转移，产生的离子则通过这层聚合物薄膜传递并透过交换膜到达对电极，维持了整个装置将化学能转化为电能的运转。三相位点的数量显然受到催化剂中离聚物的添加量的影响，首先离聚物含量不能太少或者不能位于离铂很远的位置，因为没有它的质子传输距离是有限的；其次离聚物含量也不能过高，含有特定官能团的离聚物可能会引起铂的强烈吸附而具有毒性，并且离聚物与碳相互作用而形成的致密离聚物膜可以增加气体的渗透阻力还会进一步导致电池性能的下降。因此，合理选择催化剂类型，优化催化剂浆料配方并调整催化层结构对于获得高性能的燃料电池至关重要。

在现有的燃料电池制备工艺中，调整催化层结构的主要方式就是在催化层中加入添加剂以及引入界面缓冲层，或是已经制备完毕的膜电极组件在装配电池前进行热压处理。热压工艺主要是将器件在高于离聚物材料的玻璃态转化温度的环境中加热，从而使催化层中离聚物组分重新熔化再分布，通过影响器件微观形貌提高器件性能。但是热压工艺所需的高温条件也限制了这一处理方式，因为对于一些固体聚合物材料在处理期间需要保持在湿润条件，或者高温条件下化学性质不稳定，即材料在熔化前会发生分解等，使得含有这些聚合物电解质材料的膜电极无法得到进一步的预处理。

为了解决以上问题，提出本发明。

发明内容

本发明针对膜电极组件的催化层制备过程中，催化层中离聚物与催化剂组分分布不均与具有催化活性的成分被离聚物覆盖的情况，提供了一种提高聚合物催化剂层性能的方法。此方法在不影响膜电极组件整体结构的情况下，可重新促进离聚物在催化层中的整体分布，去除包覆在催化剂中的纳米颗粒(活性组份)表面的离聚物薄膜，形成更多具有催化活性的三项位点，极大的提高催化剂层性能与活化速度。

本发明提供一种提高聚合物催化剂层性能的方法，所述聚合物催化剂层包括：载体，负载在所述载体上催化剂层；

所述催化剂层包括催化剂粉末和离聚物，其中，所述离聚物用于将所述催化剂粉末粘合聚集在一起并粘结在所述载体上；

所述方法包括：

溶剂退火步骤：将所述聚合物催化剂层与有机溶剂的水溶液接触，然后用水洗涤，实现所述催化层结构中离聚物的重新分布。

优选地，在进行所述溶剂退火步骤之前，进行离子交换及水化处理，即将所述聚合物催化剂层预先在酸或碱的稀溶液中浸泡，进行充足的离子交换并且获得充分的水化状态。

优选地，所述催化剂粉末包含碳载体和催化活性组分。