[發(fā)明專(zhuān)利]提升觸媒利用率的組合物、復(fù)合體與方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200610093080.5
• 申請(qǐng)日: 2006-06-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101093889A
• 公開(kāi)（公告）日: 2007-12-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳富其;蔡麗端;薛康琳;雍敦元;黃秋萍;張嵩駿
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/86
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/86;H01M4/90;H01M4/92;H01M8/02;C08K5/541;C08L101/04;B01J32/00
• 代理公司: 北京三友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 任默聞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種提升燃料電池觸媒利用率的組合物與方法，特別是一種通過(guò)添加一耦合劑以鍵結(jié)觸媒與高分子而形成一復(fù)合體，并利用觸媒漿料的原有的必然成分高分子氟化物形成穩(wěn)定分散，以提升燃料電池觸媒利用率的組合物與方法。

背景技術(shù)

燃料電池(Fuel?Cell)由于具備高轉(zhuǎn)化效率、無(wú)污染以及補(bǔ)充燃料快速等特點(diǎn)，是未來(lái)解決能源問(wèn)題及環(huán)境污染最可行的方法的一。直接加入甲醇做為燃料的直接甲醇燃料電池(DMFC)，在攜帶式電子產(chǎn)品的應(yīng)用上具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前燃料電池技術(shù)的發(fā)展中，只有貴重金屬Pt為最適合的觸媒，然而，Pt是所有材料中唯一無(wú)法經(jīng)由人工合成制造的，因此，預(yù)計(jì)Pt將是影響量產(chǎn)的關(guān)鍵成本。控制觸媒漿料的分散，以提升觸媒的有效被利用率，是燃料電池在未來(lái)市場(chǎng)上能否具有競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。

燃料電池至今仍無(wú)法全面商業(yè)化的原因，在于其實(shí)用性以及成本上的問(wèn)題，其中觸媒使用效率不彰是最主要的因素之一。目前全世界在燃料電池制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)上，均無(wú)法有效提升觸媒利用率，隨著Nafion專(zhuān)利到期在即，以及其它薄膜推陳出新將使薄膜價(jià)格降低，預(yù)期未來(lái)商業(yè)化的主要考量將在于如何提升觸媒利用率以減少使用量。

燃料電池中的燃料與氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)速率甚低，因此需要陽(yáng)極觸媒與陰極觸媒催化加速反應(yīng)。以高分子電解質(zhì)燃料電池為例，基本電極模塊有五層結(jié)構(gòu)，中心為傳導(dǎo)氫離子的高分子膜，兩旁各為陽(yáng)極觸媒層以及陰極觸媒層，最外層為燃料氣體擴(kuò)散層以及氧氣擴(kuò)散層。觸媒層的構(gòu)造較為復(fù)雜，主要電化學(xué)變化皆在此產(chǎn)生，根據(jù)圖1直接甲醇燃料電池反應(yīng)示意圖所示，觸媒除了要具有催化活性表面外；反應(yīng)物、生成物、電子及質(zhì)子的輸送通道還需暢通，才能成為有效被利用的觸媒，順利將化學(xué)能順利轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蝗粲|媒的設(shè)計(jì)與制造不良，質(zhì)子通道無(wú)法暢通，則燃料電池即無(wú)法產(chǎn)生高電流，效率也會(huì)降低。觸媒層夾在高分子膜與氣體擴(kuò)散層之間，其制造方法是先將適量觸媒與高分子膜的溶液均勻混合，此混合亦稱(chēng)之為觸媒漿料，漿料可涂于氣體擴(kuò)散層或高分子膜上。

公知觸媒漿料的組成主要有：觸媒(PtRu、Pt)、高分子氟化物(例如perfluorosulfonate?ionomer，PFSI，或Nafion^)、以及溶劑。一般而言，PFSI?在觸媒漿料中扮演質(zhì)子傳導(dǎo)基以及黏著劑的角色；然而，觸媒漿料的固含量高達(dá)20～40％，且觸媒比重較大因此容易發(fā)生粒子碰撞而凝集，加上PFSI與觸媒之間的極性差異大，易各自聚集產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致質(zhì)子通道阻塞，觸媒有效被利用率大幅下降。要提升觸媒漿料使用效率，需從根本的控制漿料分散性來(lái)著手，使得PFSI在觸媒漿料中除了扮演質(zhì)子傳導(dǎo)基以及黏著劑的角色外，更進(jìn)一步作為漿料的分散劑，因此，一方面需考慮PFSI于溶劑中的溶解特性，另一方面亦需考慮觸媒與PFSI間的作用關(guān)系。但由于PtRu觸媒的表面電位為負(fù)值，而PFSI解離后也帶負(fù)電，因此觸媒與PFSI間由于電荷排斥使得吸附性大大降低。

為改善上述觸媒與高分子之間各自聚集的現(xiàn)象以達(dá)成均勻分散的目標(biāo)，一方面需避免觸媒彼此聚集造成表面積減少，應(yīng)使觸媒盡量分散使觸媒裸露的活性表面積增多；另一方面需使高分子盡量覆蓋在觸媒表面使得質(zhì)子傳導(dǎo)路徑能夠暢通，才能進(jìn)一步提升觸媒有效被利用率。過(guò)去關(guān)于調(diào)配觸媒漿料時(shí)的研究?jī)H考慮在設(shè)備外加分散能量、調(diào)整溶劑種類(lèi)與黏度、調(diào)整高分子與溶劑間的溶解性或是使用界面活性劑，但并未考慮到高分子與觸媒粒子間的吸附性所面臨的問(wèn)題包括：(1)觸媒粒子容易因聚集且排開(kāi)高分子；(2)涂布/干燥過(guò)程發(fā)生相分離及龜裂；由于解決高分子與觸媒的吸附性才是解決問(wèn)題的根本，因此從高分子與觸媒分子之間的作用力，以解決觸媒利用率低落的問(wèn)題成為一值得研究的課題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于通過(guò)導(dǎo)入一耦合劑于觸媒漿料中，使耦合劑-觸媒-高分子間形成一復(fù)合體，通過(guò)提升觸媒與高分子之間的分散性與吸附性，改善傳統(tǒng)觸媒漿料中高分子與觸媒各自聚集的缺點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)成本發(fā)明提升觸媒利用率的目的。

本發(fā)明的另一目的是提供一種提升燃料電池觸媒利用率的組合物，主要是加入一耦合劑于傳統(tǒng)觸媒漿料中，利用耦合劑與漿料中觸媒及高分子形成一復(fù)合體，穩(wěn)定分散于觸媒漿料中，可提升觸媒的利用率。

本發(fā)明的又一目的是提供一種提升燃料電池觸媒利用率的方法，可使觸媒漿料中的觸媒與高分子之間的分散性與吸附性提升，以利后續(xù)電極模塊的制造。