[發(fā)明專利]用于燃料電池的膜電極及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310333544.5
• 申請日: 2013-08-02
• 公開（公告）號: CN103515622A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 潘國順;梁曉璐;徐莉;汪嘉澍;郭丹
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);深圳清華大學(xué)研究院
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/02
• 代理公司: 深圳市鼎言知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44311
• 代理人: 哈達(dá)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的膜電極及其制備方法，特別是膜電極所用催化劑漿料組成、該膜電極的制備方法及該膜電極的密封方法。

背景技術(shù)

膜電極組件是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）的核心元件，在很大程度上決定了電池的電化學(xué)性能。因此，膜電極的制備及密封對提高燃料電池性能尤為重要。

眾所周知，膜電極中催化層的微觀結(jié)構(gòu)是由涂覆在質(zhì)子交換膜上的漿料所決定，而漿料的組成及分散程度對催化劑活化面積、質(zhì)子和電子的遷移速度有很大的影響。不同的膜電極制備方法對漿料的組成有不同的要求，對于可大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)印法來說，漿料的轉(zhuǎn)移率是一個十分重要的考量因素，而且由于熱壓過程中造成的孔隙率的降低影響著陰極的排水功能，直接導(dǎo)致電池的性能下降，這些都需要從催化劑漿料的組成上進(jìn)行改善。目前已知的漿料分散方式大都是超聲和磁力攪拌相結(jié)合，這兩種方式不僅分散力度不夠，而且需要較長的操作時間。一方面，長時間處理引起的溫度上升使得催化劑顆粒重新團(tuán)聚，另一方面，溶劑大量揮發(fā)使得漿料的成分發(fā)生變化，對催化層結(jié)構(gòu)有非常不利的影響。此外，在對三合一或五合一膜電極進(jìn)行組裝時，一般的操作是通過一定尺寸的密封圈將其封裝在兩塊流場板之間，不利于陰陽極氣體的隔離，同時也會出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，大大降低了燃料電池的電化學(xué)性能。因此，對催化劑漿料分散和膜電極的封裝方式還有待進(jìn)一步研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在解決上述所存在的技術(shù)問題。為此，本發(fā)明提出了一種用于燃料電池的膜電極所用催化劑漿料方案，及該膜電極的制備方法，以及該膜電極的密封方法。

本發(fā)明提出一種用于燃料電池的膜電極，其催化層由位于質(zhì)子交換膜上的催化劑漿料組成，該催化劑漿料包括：催化劑、粘結(jié)劑、分散溶劑、增稠劑和添加劑，該五種組分的質(zhì)量比為1:5.5~12.5:4~10:1~5:0.05~3，所述催化劑為選自Pt催化劑或Pt合金催化劑中的一種。

上述催化劑漿料中的催化劑所使用的碳載體選自碳納米顆粒、碳納米管或石墨烯中的至少一種。

上述催化劑漿料中的催化劑選用Pt合金催化劑時，Pt合金中的其它金屬選自Ru、Sn、W、Mo、Os或Ni中的至少一種。上述催化劑漿料中的粘結(jié)劑選自全氟磺酸樹脂溶液，或選自聚四氟乙烯溶液，或選自全氟磺酸樹脂溶液和聚四氟乙烯溶液。二者的作用都是有效地粘結(jié)催化劑顆粒，其中全氟磺酸樹脂可以增強質(zhì)子的傳輸速度并對質(zhì)子交換膜起到保濕作用，聚四氟乙烯有利于陰極催化層中多余水份的排除，但是會降低質(zhì)子的傳輸速度。

本發(fā)明的膜電極中所用催化劑漿料中的分散溶劑選自異丙醇、去離子水、乙醇或正丙醇中的至少一種。催化劑顆粒在這些溶劑中均能夠很好地分散。

催化劑漿料中的增稠劑選自丙三醇、乙二醇或乙酸丁酯中的至少一種。這些增稠劑的共同特點是介電常數(shù)和粘度比較高。

催化劑漿料中的添加劑選自碳酸氫銨、醋酸銨或二甲基硅油中的至少一種。其中碳酸氫銨和醋酸銨為造孔劑，可以增加催化層的孔隙率，二甲基硅油為疏水添加劑，三者均用于改善陰極催化劑在高電流密度下的排水性能。

本發(fā)明提出一種用于燃料電池的膜電極的制備方法，包括膜電極所用催化劑漿料的制備步驟、催化劑漿料的涂布步驟、膜電極的組裝步驟。催化劑漿料的制備步驟中，催化劑漿料的分散方式與已報道的超聲浴和磁力攪拌不同，采用轉(zhuǎn)速范圍更大、分散更加均勻的均質(zhì)機(jī)進(jìn)行分散處理方式制備。其工作原理在于：借助轉(zhuǎn)子的高速運轉(zhuǎn)，漿料在外界氣壓下進(jìn)入轉(zhuǎn)子與定子之間的孔隙并隨之轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中從轉(zhuǎn)子和定子之間的孔隙中甩出，通過強大的剪切力和顆粒間的碰撞達(dá)到分散的效果。本發(fā)明中采用均質(zhì)機(jī)時，分散處理時均質(zhì)機(jī)的轉(zhuǎn)速可設(shè)定在3000～25000rpm之間，分散時間可介于0.5h～6h之間。

本發(fā)明中，隨著分散時間的加長，漿料中揮發(fā)性較強的溶劑會減少，以異丙醇為例，分散1h溶劑減少的質(zhì)量大約為1.2g，為了保持漿料中的溶劑比，應(yīng)將分散時間加長導(dǎo)致的溶劑損失計算在內(nèi)。

本發(fā)明中，催化劑顆粒的分散效果隨著分散時間的增加而增強，超過一定的分散時間，均質(zhì)機(jī)對漿料的分散沒有明顯的作用。上述分散效果反映在燃料電池的性能上表現(xiàn)為：隨著分散時間的增加，電池的性能增強，而過長時間的分散不利于電池性能的提升。

所以，優(yōu)選的分散時間為0.5h-6h之間。最優(yōu)選制備所述催化劑漿料的分散時間為4h，制備過程中均質(zhì)機(jī)的優(yōu)選轉(zhuǎn)速為8000rpm。