[發明專利]一種燃料電池催化劑漿液及其應用

在審

• 申請號: 201310694075.X
• 申請日: 2013-12-15
• 公開（公告）號: CN104716342A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 孫公權;景粉寧;王素力
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/86
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池，具體的說涉及催化劑漿液，本發明還涉及該催化劑漿液的應用。

背景技術

近幾年來，新型清潔能源的開發、現有能源的合理利用與環境保護相互協調發展已成為本世紀世界經濟發展的基礎。燃料電池(Fuel?Cells)是一種不經過燃燒過程直接將化學能轉化為電能的發電裝置，具有能量轉化效率高、低污染、環境友好的突出優點，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發電技術，成為各國政府與大公司研究和開發焦點。燃料電池因電解質種類的不同而分為堿型、磷酸型、固體高分子型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型等。由于固體高分子型燃料電池（PEFC）在低溫下工作，具有高輸出密度，并能夠實現小型化、輕量化，所以被期待用作便攜式電源、家庭用電源、車輛用動力源。經過幾十年的發展，其技術日趨成熟，目前已處于商業化的前夜。但是，PEFC若要實現大規模的使用，必須實現其關鍵技術和關鍵材料方面的突破，以確保其穩定性和可靠性,同時大幅度降低其成本。膜電極（Membrane?Electrode?Assembly,MEA）是PEFC的核心部件，是影響PEFC比功率密度、能量密度分布及其工作壽命的關鍵因素。目前MEA的研究表明，其存在的問題主要集中在：電極催化層和氣體擴散層的結構不合理，致使催化劑利用率較低，反應氣和液態水的傳遞阻力大，高電流密度區濃差極化損失大；電池輸出性能有待提高。

本發明通過催化劑漿液粘度和固含量的物性優化制備得到性能優異的催化劑漿液，并將此漿液用于制備燃料電池催化層，制備得到的催化層中催化劑的利用率高，電池反應過程中高電流密度區域的傳質極化降低。

發明內容

為實現上述目的，本發明采用以上技術方案來實現：

一種燃料電池催化劑漿液，包括催化劑、導電聚合物和溶劑；所述催化劑漿液的粘度為100-1000mPa·s；固含量為5-60wt%，其中催化劑的濃度為4～55wt%。

所述催化劑漿液的較優粘度為300-900mPa·s；較優固含量為10-40wt%。

所述催化劑漿液的最優粘度為500-800mPa·s；最優固含量為15-25wt%。

所述溶劑為有機溶劑、或有機溶劑和水的混合物。

所述有機溶劑為乙醇、異丙醇、正丙醇、正丁醇、乙二醇、丙三醇、N甲基甲酰胺(DMF)、N,N-2甲基已酰胺(DMAC)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一種或兩種以上。

所述溶劑為有機溶劑和水的混合物時，有機溶劑質量含量為40-90wt%。

所述導電聚合物為全氟磺酸樹脂、脂肪族類磺酸樹脂、芳香族類磺酸樹脂中的一種或兩種以上。

所述催化劑為Pt黑、PtRu黑、Pt/C、PtRu/C、PtM/C中的一種或兩種以上，其中M為Fe、Co、Ni、Au、Pd、Sn、Pb、Mn中的一種或兩種；催化劑還可以為非貴金屬類催化劑M/N/C其中M為Fe、Co、Ni等金屬。

此漿液制備催化層可采用絲網印刷法、刮涂法、刷涂法、涂布法中的任一一種。

此漿液制備催化層時所用的基底材料為聚四氟乙烯(PTFE)膜、聚酯（PET）膜、聚酰亞胺高溫膜、Nafion膜、全氟磺酸類復合膜、碳紙、碳布中的任一一種。

該漿液制備的催化層用于制備質子交換膜燃料電池的陽極和/或陰極。

該漿液制備的電極用于組裝質子交換膜燃料電池。

與現有技術相比，本發明提供了一種燃料電池催化層漿液，該催化層漿液的粘度和固含量可控，漿液穩定性好，可保證批量制備的一致性和可重復性；另外，該催化劑漿液中催化劑分散均勻、制備的催化層催化劑利用率高、催化層孔徑分布有利于氣液傳質；制備的MEA組裝的單電池在性能和穩定性均有優勢。

附圖說明

圖1為實施例1中的催化劑漿液與對比例1中的催化劑漿液放置前后對比。對比例1中單一乙醇做溶劑制備的催化劑漿液放置2小時后，漿液出現沉降。而實施例1中的催化劑漿液1放置12h也沒有沉降，具有較高的穩定性。

圖2為實施例1中的催化劑漿液與對比例1中的催化劑制備的催化層表面形貌對比。對比例1中單一乙醇作溶劑制備的催化層表面比較粗糙，而實施例1中催化劑漿液制備的催化層比表面比較均勻，一致性好。