[發(fā)明專利]用于燃料電池膜電極催化劑層制備的漿料及其制備

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110418462.1
• 申請日: 2011-12-14
• 公開（公告）號: CN103165913A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 俞紅梅;張長昆;宋微;邵志剛;衣寶廉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;B01J23/42
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種催化劑及其制備方法，尤其涉及一種用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池的電極是燃料電池的燃料和氧化劑進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的場所，是燃料電池的核心部件。電極通常是由導(dǎo)電的支撐層、微孔層與催化層組成的具有多層結(jié)構(gòu)的電極。

從電極形式上，根據(jù)催化層所依附的位置，可以將電極部件分為兩大類：氣體擴(kuò)散層電極(GDE)和覆膜催化層電極(CCM)。催化劑漿料性能的好壞，直接影響到所制備出的膜電極的性能，并最終影響到燃料電池的發(fā)電性能。

電極制備過程中，催化劑漿料的狀態(tài)對所形成催化層的微觀結(jié)構(gòu)有著重要影響。根據(jù)有機溶劑的介電常數(shù)及其與質(zhì)子導(dǎo)體聚合物的相互作用，當(dāng)采用不同有機溶劑配制催化劑漿料時，漿料會呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)(溶液態(tài)、膠體態(tài)、共沉物)。在溶液態(tài)催化劑漿料中，質(zhì)子導(dǎo)體聚合物包裹在催化劑表面，由于其具有絕緣特性，因此所形成催化層的性能并不理想，而且氣體傳質(zhì)過程會受到影響。如果改變有機溶劑的種類，使催化劑漿料呈現(xiàn)為膠體狀態(tài)，此時質(zhì)子導(dǎo)體聚合物會吸附在催化劑顆粒表面，使催化劑的利用率得到提高，催化層中用于氣體傳質(zhì)的孔隙也隨之增大，進(jìn)而有利于提高電池性能。

歐洲專利EP?0955687?A2中給出了一種催化劑漿料，它是將Nafion溶液加入MOH使H⁺形式的Nafion溶液變成M⁺型，然后采用采用高沸點機型溶劑將Nafion醇水溶液蒸發(fā)置換，加入催化劑形成漿料。將漿料涂于擴(kuò)散層上性能催化層后再放入酸中將Nafion的M⁺轉(zhuǎn)換成H⁺。可以看出，電極制備過程非常復(fù)雜。

在CN?200610028206中描述了一種催化劑漿料的配制方法，漿料中采用了含有羧基的有機酸物質(zhì)為輔料。制備時需采用高壓釜反應(yīng)裝置制備高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體分散液。

Int.J.Hydrogen?Energy?2010；35：11129提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極用催化劑膠體漿料制備方法，但制備方法較繁瑣。

在US20090169949中描述了一種質(zhì)子交換膜燃料電池中催化層漿料的配制方法，它采用了一種可使催化劑顆粒與全氟樹脂溶液以及其它溶劑能夠乳化在一起的溶劑，通過這些材料使催化劑顆粒形成一種相對穩(wěn)定的漿料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供了一種燃料電池用催化劑漿料及其制備方法，該漿料有助于提高電極性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料，包含：1-20wt％的固體催化劑顆粒、高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體2-20wt％、水0.1-30wt％、醇1-50wt％，還包含非醇有機溶劑1-80wt％。

所述的固體催化劑是含鉑的固體催化劑顆粒。

所述的高分子聚合物導(dǎo)體選自全氟磺酸樹脂、磺化三氟苯乙烯樹脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷樹脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物樹脂和磺化苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯樹脂。

所述的醇選自甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、甘油中的一種或幾種。

所述的有機溶劑包括甲酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸己丁酯、甲酸戊酯、四氫呋喃、苯胺和乙二醇二甲醚(EGDEE)，優(yōu)選乙酸乙酯。

一種催化劑漿料的制備方法，其特征在于：以1-20wt％的固體電催化劑顆粒、高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體2-20wt％、水0.1-30wt％、醇1-50wt％和非醇有機溶劑1-80wt％為基本原料，采用以下步驟制備：

a)、制作膠體形態(tài)的分散液

將高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體2-20wt％、水0.1-30wt％、醇1-50wt％和非醇有機溶劑1-80wt％混合在一起，并用超聲波或者攪拌器振蕩10分鐘或者3小時，使其混合均勻，得到膠體形態(tài)分散液。

b)、制作催化劑漿料，將1-20wt％的固體催化劑顆粒、醇和步驟a得到的分散液混合在一起用超聲波或者攪拌器振蕩10分鐘-3小時，使其混合均勻，制備成催化漿料。

步驟a中所述的固體催化劑是含鉑的固體催化劑顆粒。，所述的高分子聚合物導(dǎo)體選自全氟磺酸樹脂、磺化三氟苯乙烯樹脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷樹脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物樹脂和磺化苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯樹脂。所述的醇選自甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、甘油中的一種或幾種。所述的非醇有機溶劑包括甲酸丁酯、乙酸乙酯、甲酸戊酯、四氫呋喃、苯胺和乙二醇二甲醚、乙酸己丁酯，優(yōu)選乙酸乙酯。