[發明專利]膜電極用催化劑漿料和其制備方法以及催化劑涂布膜、膜電極

在審

• 申請號: 202011131024.2
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112259753A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 楊云松;趙明全;莫善云;葉思宇;鄒渝泉;唐軍柯;孫寧
• 申請（專利權）人: 鴻基創能科技（廣州）有限公司
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88;H01M4/86;H01M8/1004
• 代理公司: 廣州永華專利代理有限公司 44478
• 代理人: 勞覓

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種膜電極用催化劑漿料和其制備方法以及催化劑涂布膜、膜電極。該種膜電極用催化劑漿料，其制成成分包括催化劑、全氟磺酸樹脂、溶劑和添加劑，所述添加劑為含有至少兩個含氮官能團的化合物或者聚合物。使用該種催化劑漿料，采用陰陽極直涂的方法制備催化劑涂布膜可以制備出裂紋少的催化劑涂布膜。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種膜電極用催化劑漿料和其制備方法以及催化劑涂布膜、膜電極。

背景技術

膜電極(Membrane Electrode Assembly,MEA)是燃料電池的核心組件，主要由陽極氣體擴散層、陽極催化劑層、質子交換膜、陰極催化劑層和陰極氣體擴散層組成，其中由陽極催化劑層、質子交換膜和陰極催化劑層構成的三合一結構為催化劑涂布膜(CCM，Catalyst Coated Membrane)。

目前大多數的CCM都是通過熱壓轉印的方法制備的。熱壓轉印的方法就是先將漿料(含催化劑、樹脂和溶劑)涂布在背膜上，再在高溫高壓下從背膜轉印到質子交換膜上。也有少數CCM是通過陰陽極直涂的方法制備的，陰陽極直涂的方法是直接將漿料涂布到質子交換膜上經過加熱干燥制備CCM。陰陽極直涂的方法與熱壓轉印的方法相比，由于催化劑層和質子交換膜的界面接觸電阻更小，生產步驟也更少，使得膜電極性能更佳，成本更低。但是研發人員發現采用陰陽極直涂的方法制備CCM，催化劑層上容易出現裂紋，影響CCM性能。

發明內容

本發明提供了一種膜電極用催化劑漿料和其制備方法以及催化劑涂布膜、膜電極，采用陰陽極直涂的方法制備CCM，使用該種催化劑漿料可以制備出裂紋少的催化劑涂布膜。

發明人發現，由于催化劑漿料里含有醇和水，而質子交換膜是離聚物，質子交換膜兩側涂布上催化劑漿料后，會吸收催化劑漿料中的醇和水而溶脹，催化劑漿料涂布后需要加熱干燥除去溶劑形成催化劑層，在加熱干燥除去溶劑的過程中，質子交換膜吸收的醇和水會揮發，質子交換膜收縮，就導致涂布在質子交換膜兩側的催化劑層開裂了。并且在催化劑層的形成過程中有一個臨界開裂厚度(critical crack thickness，CCT)的參數，涂層厚度大于CCT，則催化劑層會出現開裂甚至脫落的情況。文獻研究表明，采用超聲波分散漿料、用醇(乙醇、正丙醇以及乙醇和正丙醇的混合醇當中的一種)和水作為溶劑制備的CCM，CCT的厚度大約在8～10微米左右，這個厚度的陰極催化劑層的Pt載量大約為0.25mg/cm²左右，而為了滿足車用燃料電池的性能和壽命要求，膜電極中需要的催化劑Pt載量常常需要高于這個值，如果催化劑Pt載量高于0.25mg/cm²，那么催化劑層的厚度會較高，從而造成催化劑層開裂。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種膜電極用催化劑漿料，其制成成分包括催化劑、全氟磺酸樹脂、溶劑和添加劑，所述添加劑為含有至少兩個含氮官能團的化合物或者聚合物。

進一步地，所述膜電極用催化劑漿料粘度大于300mpa.s，所述添加劑是水溶性的且其沸點低于催化劑漿料加熱干燥的溫度。

進一步地，所述添加劑為有機脂肪族伯胺、有機脂肪族仲胺、有機脂肪族叔胺、芳胺和含氮雜環當中至少一種。

進一步地，所述添加劑為丁二胺。

進一步地，添加劑的質量是全氟磺酸樹脂質量的0.1％～10％。

進一步地，添加劑的質量是全氟磺酸樹脂質量的0.5％～5％。

進一步地，所述催化劑為鉑金和碳顆粒催化劑，所述溶劑為水和低沸點醇的混合溶劑。