[發(fā)明專利]一種質(zhì)子交換膜燃料電池的催化劑漿料及其應(yīng)用

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• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN111092230A
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王強;于鳴琦;陳桂銀;王紅梅;聶穎;邢丹敏;呂萍
• 申請（專利權(quán)）人: 新源動力股份有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/92;H01M8/1004
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發(fā)明提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池的催化劑漿料及其應(yīng)用，該催化劑漿料為催化劑、兩種或兩種以上的不同EW值的全氟磺酸樹脂混合溶液以及低沸點醇溶劑制備的膠體狀態(tài)漿料，然后通過超聲噴涂工藝噴涂到質(zhì)子交換膜上，與商用氣體擴散層熱壓制備膜電極，目的是得到性能更優(yōu)的電池性能。本發(fā)明不僅優(yōu)化了催化層的孔分布，提高了催化層的孔隙率，兼顧質(zhì)子傳導(dǎo)能力的同時優(yōu)化催化層中氣/液/固三相界面，而且膜電極的電化學(xué)活性面積和質(zhì)量比活性也得到提高，尤其是大幅度地提高了燃料電池的性能。本發(fā)明對后續(xù)漿料工藝開發(fā)和鉑擔(dān)量的降低即膜電極成本的下降有很重大的意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地主要涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池的催化劑漿料及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是燃料電池體系中重要的成員之一，是目前最有希望的新一代綠色能源動力系統(tǒng)，有助于解決能源危機和環(huán)境污染等問題。PEMFC具有操作溫度低、工作無噪聲、無振動、啟動快、排放清潔、可模塊化布置、能量轉(zhuǎn)化效率高以及功率密度高等優(yōu)點。目前，與美國、日本等國家相比，中國燃料電池存在關(guān)鍵技術(shù)缺失、自主化程度不高、產(chǎn)業(yè)化不足等問題，亟需科研工作者攻堅克難、不忘初心、厚積而薄發(fā)。

膜電極組件(Membrane electrode assembly，MEA)是PEMFC核心技術(shù)和部件，而膜電極中catalyst-coated membrane(CCM)是決定整個膜電極性能高低的關(guān)鍵，所以制備CCM的漿料(ink)一直是質(zhì)子交換膜燃料電池的重點研究部分。但是，漿料的配方、分散、制備以及儲藏都是公司或者科研所的核心，保密性都很高，在專利或者文獻中很難查到有用的信息。因此，漿料工藝技術(shù)的開發(fā)必須獨立自主而且迫在眉睫。

公開號為CN106684395B的專利公開了一種用于燃料電池的具有梯度孔隙率的陰極催化層制造工藝。將催化劑漿料噴涂于質(zhì)子交換膜上制備陰極催化層，其噴涂次數(shù)控制為2～4次，所述工藝制備的陰極催化層從質(zhì)子交換膜側(cè)到氣體擴散層側(cè)催化層孔隙率逐漸增大，這種孔隙率梯度結(jié)構(gòu)的催化層。

公開號為CN109860630A的專利將高分子聚合物納米纖維摻雜在燃料電池催化層中，Pt/C催化劑分散在納米纖維表面，優(yōu)化了三相界面，一維納米纖維提高了催化層離子傳導(dǎo)，具有較大的孔隙率。

公開號為CN109860636A的專利公開了一種膜電極制備方法，該方法采用了輥壓壓光的方法，增加了催化層表面的平整性，不僅減小了擴散層與催化層的界面電阻，而且催化層內(nèi)部孔徑變小，在毛細管壓的作用下，有助于電池內(nèi)部液態(tài)水的排出，降低高電流密度下的傳質(zhì)損失，提升單電池的性能。

然而，現(xiàn)有類似優(yōu)化三相界面的膜電極制備工藝大多采用引入添加劑或機械改變催化層結(jié)構(gòu)的方式，這種通過引入外來添加劑或改變結(jié)構(gòu)的方式存在降低催化層導(dǎo)電性和親疏水性的風(fēng)險，并且會影響膜電極壽命。

發(fā)明內(nèi)容

基于以上背景技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于燃料電池的催化層漿料，該催化層漿料為催化劑、兩種或兩種以上的不同EW值的全氟磺酸樹脂混合溶液以及低沸點醇溶劑制備的膠體狀態(tài)漿料，并通過系統(tǒng)性地改變加入不同EW值全氟磺酸樹脂的比例優(yōu)化催化劑漿料，配置至少兩種以上催化劑漿料，然后通過超聲噴涂工藝噴涂到質(zhì)子交換膜上，與商用氣體擴散層熱壓制備膜電極，目的是得到性能更優(yōu)的電池性能。本發(fā)明系統(tǒng)性地改變加入不同EW值全氟磺酸樹脂的比例優(yōu)化催化劑漿料，不僅優(yōu)化了催化層的孔分布，提高了催化層的孔隙率，兼顧質(zhì)子傳導(dǎo)能力的同時優(yōu)化催化層中氣/液/固三相界面，而且膜電極的電化學(xué)活性面積和質(zhì)量比活性也得到提高，尤其是大幅度地提高了燃料電池的性能。本發(fā)明對后續(xù)漿料工藝開發(fā)和鉑擔(dān)量的降低即膜電極成本的下降有很重大的意義。具體采取如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一方面提供一種用于燃料電池的催化層漿料，所述催化劑漿料包括催化劑、全氟磺酸樹脂溶液和低沸點醇；所述全氟磺酸樹脂溶液包括至少兩種不同摩爾質(zhì)量值(EW值)的樹脂溶液。