燃料电池催化剂电极的制备方法及由其制备的燃料电池催化剂电极与流程

本发明涉及燃料电池催化剂电极和燃料电池催化剂电极的制备方法，并且更具体地，涉及通过直接电解质膜涂覆方法制备的无裂纹燃料电池催化剂电极和能够降低产生裂纹的可能性的燃料电池催化剂电极的制备方法。

背景技术：

1、燃料电池用于电化学地氧化电池中的燃料，例如氢和甲醇，以将燃料的化学能转化为电能。具体地，高分子电解质膜燃料电池(pefc)使用具有离子传导性的固体高分子电解质膜以与高温操作燃料电池(诸如固体氧化物燃料电池(sofc))相比实现低温操作并且使简单系统可应用，使得pefc被用作用于车辆、建筑等的电源。

2、聚合物电解质膜燃料电池包括膜电极组件(mea)，该膜电极组件包括负极(氢电极)、正极(空气电极)、以及氢离子导电聚合物电解质膜。在这种情况下，负极(氢电极)和正极(空气电极)各自以其中能够引起燃料的氧化反应和氧的还原反应的均相或多相贵金属催化剂均匀地分散在多孔负载元件的表面上的形式存在。催化剂显示出类型上的电荷转移电阻等的差异，并且还显示出由于物理性质诸如疏水性和由催化剂的表面形状得到的比表面积所致的排水特性等的差异。

3、将碳纳米管添加到膜电极组件的负极(氢电极)和正极(空气电极)的方法用于改善导电性，并且当添加碳纳米管时，电极层可具有改善的强度。然而，当将添加碳纳米管的方法应用于将电极层直接涂覆到电解质膜上的方法时，难以形成具有稳定结构的电极层，从而在电极层的表面上导致裂纹。

4、对此，需要开发一种通过去除可能在电极层中产生的裂纹来制备更三维和坚固的电极层的方法，以及包括根据该方法制备的电极层的燃料电池催化剂电极。

5、[相关技术文献]

6、[专利文献]

7、(专利文献1)kr 2022-0057028 a

技术实现思路

1、本发明的一个方面提供了一种燃料电池催化剂电极，尤其是在正极(空气电极)中具有优异的催化剂活性、改善的导电性、以及由电极层中减少的裂纹产生导致的改善的电极表面的燃料电池催化剂电极。

2、本发明的另一方面提供了用于制备燃料电池催化剂电极的方法，尤其是在正极(空气电极)中具有优异的催化剂活性、改善的导电性、以及由电极层中减少的裂纹产生导致的改善的电极表面的燃料电池催化剂电极。

3、为了解决上述任务，本发明提供了燃料电池催化剂电极和用于制备燃料电池催化剂电极的方法。

4、[1]根据本发明的一个方面，提供了一种包括催化剂层的燃料电池催化剂电极，催化剂层包括催化剂、粘合剂、碳纳米管和碳纳米纤维，其中，碳纳米管具有100nm至1μm的平均长度，碳纳米纤维具有7μm至50μm的平均长度，并且燃料电池催化剂电极相对于100重量份的催化剂包括7.5至11.5重量份的量的碳纳米纤维。

5、[2]本发明提供根据上述[1]所述的燃料电池催化剂电极，其中，第一催化剂包括催化剂金属和多孔活性碳，在多孔活性炭上负载有催化剂金属，并且第二催化剂包括催化剂金属和碳纳米管，在碳纳米管上负载有催化剂金属。

6、[3]本发明提供根据上述[2]所述的燃料电池催化剂电极，其中，多孔活性炭包括从由炭黑、石墨、石墨烯、活性炭和多孔碳构成的组中选择的至少一者。

7、[4]本发明提供根据上述[2]或[3]所述的燃料电池催化剂电极，其中，铂基合金是铂与从金、银、铜、钯、锡、铱、铑、钌、铁、钴、镍、铬、钨、锰和钒中选择的至少一者的合金。

8、[5]本发明提供根据上述[1]至[4]中任一项所述的燃料电池催化剂电极，其中，粘合剂是离子导电聚合物。

9、[6]本发明提供根据上述[1]至[5]中任一项所述的燃料电池催化剂电极，其中，碳纳米管具有5至100nm的平均直径。

10、[7]本发明提供根据上述[1]至[6]中任一项所述的燃料电池催化剂电极，其中，碳纳米纤维是人字形碳纳米纤维。

11、[8]本发明提供根据上述[1]至[7]中任一项所述的燃料电池催化剂电极，其中，碳纳米纤维具有100nm至200nm的平均直径。

12、[9]本发明提供根据上述[1]至[8]中任一项所述的燃料电池催化剂电极，其中，碳纳米纤维具有30至80m2/g的比表面积。

13、[10]根据本发明的另一方面，提供了一种用于制备燃料电池催化剂电极的方法，该方法包括：将催化剂金属负载在多孔活性炭上以制备第一催化剂(s10)；将催化剂金属负载在碳纳米管上以制备第二催化剂(s11)；将包括第一催化剂和第二催化剂的催化剂、粘合剂、以及碳纳米纤维分散和混合在溶剂中以制备催化剂浆料(s20)；以及将催化剂浆料涂覆到基底上以形成催化剂层(s30)，其中，相对于100重量份的催化剂，以7.5至11.5重量份的量混合碳纳米纤维，碳纳米管具有100nm至1μm的平均长度，并且碳纳米纤维具有7μm至50μm的平均长度。

技术特征：

1.一种燃料电池催化剂电极，包括催化剂层，所述催化剂层包括催化剂、粘合剂、碳纳米管和碳纳米纤维，

2.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂电极，其中，所述催化剂包括第一催化剂和第二催化剂，

3.根据权利要求2所述的燃料电池催化剂电极，其中，所述多孔活性炭包括从由炭黑、石墨、石墨烯、活性炭和多孔碳构成的组中选择的至少一者。

4.根据权利要求2所述的燃料电池催化剂电极，其中，所述催化剂金属包括铂或铂基合金，以及

5.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂电极，其中，所述粘合剂是离子导电聚合物。

6.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂电极，其中，所述碳纳米管具有5至100nm的平均直径。

7.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂电极，其中，所述碳纳米纤维是人字形碳纳米纤维。

8.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂电极，其中，所述碳纳米纤维具有100nm至200nm的平均直径。

9.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂电极，其中，所述碳纳米纤维具有30至80m2/g的比表面积。

10.一种用于制备燃料电池催化剂电极的方法，所述方法包括：

技术总结
本发明涉及一种包括催化剂层的燃料电池催化剂电极，催化剂层包括催化剂、粘合剂、碳纳米管和碳纳米纤维，其中，碳纳米管具有100nm至1μm的平均长度，碳纳米纤维具有7μm至50μm的平均长度，并且燃料电池催化剂电极相对于100重量份的催化剂包括7.5至11.5重量份的量的碳纳米纤维；以及一种用于制备燃料电池催化剂电极的方法。

技术研发人员：辛周镐,崔承圭,李圣哲,李辰华,李京珍,李孝俊
受保护的技术使用者：现代自动车株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5