一種燃料電池催化劑漿液及其應用制造技術

一種質子交換膜燃料電池催化層漿液的制備方法，其中催化劑漿液組分包括催化劑、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10～50wt%。通過控制漿液的最終粘度和固含量確保漿液的形態和催化層制備效率和效果。采用本漿液制備的催化層電極用于組裝質子交換膜燃料電池膜電極（MEA?Membrane?Electrode?Assemble），其孔徑分布更利于氣液兩相傳質，有利于電池在高電流密度區間的性能和穩定性的提高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及質子交換膜燃料電池，具體的說涉及催化劑漿液，本專利技術還涉及該催 化劑漿液的應用。
技術介紹
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（FuelCells)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（MembraneElectrodeAssembly,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。 本專利技術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。
技術實現思路
為實現上述目的，本專利技術采用以上技術方案來實現： -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IOO-1000 mPa?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，本專利技術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 t匕。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。 圖3 :為實施例1中的催化劑漿液與對比例1和對比例2中的催化劑漿液制備陰 極的催化層孔徑分布對比。三種陰極催化層均具有明顯的微米級孔徑分布特點，大部分孔 分布在0. 3~10iim孔徑范圍內。與對比例1和對比例2相比，實施例1制備的陰極催化 層具有更多的微米級別的孔分布(孔徑大于〇. 6ym)，有利于陰極氣體傳質。 圖4 :為實施例1中的催化劑漿液與對比例1中的催化劑漿液制備的催化層組裝 單電池的性能曲線。圖中可以看出實施例1采用混合溶劑制備的粘度較高的催化劑漿液制 備的催化層組裝的單電池在較高電流密度下放電具有明顯的優勢。 圖5 :為實施例1中的催化劑漿液與對比例1中的催化劑漿液制備的催化層組裝 單電池的穩定性曲線。圖中可以看出實施例1采用混合溶劑制備的粘度較高的催化劑漿液 制備的催化層組裝的單電池在較高電流密度下的穩定性明顯優于對比例1制備的單電池 性能。【具體實施方式】 對比例1 : 漿液由催化劑60%Pt/C、導電聚合物NafioM溶液和乙醇混合攪拌制備而成。將制 備好的漿液取IOmL于小瓶中靜置，觀察漿液長時間放置是否沉降。將制備好的漿液采用絲 網印刷法制備于PTFE薄膜表面對印刷于PTFE膜表面的催化層進行掃描電鏡分析，觀察其 形貌以及均勻性。將印刷于PTFE膜表面的催化層轉壓于Nafionll5膜表面形成直接甲醇 燃料電池（DMFC)陰極CCM(CatalystCoatedMembrance)，對制備好的陰極CCM進行孔徑分 析，獲得催化層孔徑分布曲線。最后將上述制備好的陰極催化層與陽極催化層以及相應的 擴散層組裝MEA以及DMFC單電池，測試其性能和穩定性。 對比例2 : 漿液由催化劑60%Pt/C、導電聚合物Nafior^:溶液和水混合攪拌制備而成，采用絲 網印刷發將對比例2的催化劑漿液制備于PTFE膜表面，待印刷于PTFE膜表面的催化層干 燥后將其轉壓于Nafionl15膜表面形成DMFC陰極CCM，對制備好的陰極CCM進行孔徑分析， 獲得催化層孔徑分布曲線。最后將上述制備好的陰極催化層與陽極催化層以及相應的擴散 層組裝MEA以及單電池測試其性能和穩定性。 實施例1 : 漿液1由催化劑60%Pt/C、導電聚合物Nafiof溶液和溶劑水和乙二醇、正丙醇混 合攪拌制備而成，溶劑中有機溶劑乙二醇和正丙醇的質量之和占溶劑總質量的66%。催化劑 漿液的粘度為720mPa?s，固含量為21wt%，催化劑濃度為17wt%。將制備好的漿液取IOmL 于小瓶中靜置，觀察漿液長時間放置是否沉降。對漿液1采用刷涂法于PTFE膜表面制備了 直接甲醇燃料電池用陰極催化層，對制備的催化層進行掃描電鏡分析，觀察其形貌以及均 勻性。待印刷于PTFE膜表面的催化層干燥后將其轉壓于Nafionll5膜表面形成DMFC陰極 CCM，對制備好的陰極CCM進行孔徑分析，獲得催化層孔徑分布曲線。最后將上述制備好的 陰極催化層與陽極催化層以及相應的擴散層組裝DMFCMEA以及單電池測試其性能和穩定 性。結果表明漿液穩定性好，可保證批量制備的一致性和本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種燃料電池催化劑漿液，其特征在于：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%。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：發明
國別省市：遼寧;21