膜电极用催化剂浆料和其制备方法以及催化剂涂布膜、膜电极技术

本发明专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种膜电极用催化剂浆料和其制备方法以及催化剂涂布膜、膜电极。该种膜电极用催化剂浆料，其制成成分包括催化剂、全氟磺酸树脂、溶剂和添加剂，所述添加剂为含有至少两个含氮官能团的化合物或者聚合物。使用该种催化剂浆料，采用阴阳极直涂的方法制备催化剂涂布膜可以制备出裂纹少的催化剂涂布膜。纹少的催化剂涂布膜。纹少的催化剂涂布膜。

【技术实现步骤摘要】
膜电极用催化剂浆料和其制备方法以及催化剂涂布膜、膜电极


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种膜电极用催化剂浆料和其制备方法以及催化剂涂布膜、膜电极。

技术介绍

[0002]膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)是燃料电池的核心组件，主要由阳极气体扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层组成，其中由阳极催化剂层、质子交换膜和阴极催化剂层构成的三合一结构为催化剂涂布膜(CCM，Catalyst Coated Membrane)。
[0003]目前大多数的CCM都是通过热压转印的方法制备的。热压转印的方法就是先将浆料(含催化剂、树脂和溶剂)涂布在背膜上，再在高温高压下从背膜转印到质子交换膜上。也有少数CCM是通过阴阳极直涂的方法制备的，阴阳极直涂的方法是直接将浆料涂布到质子交换膜上经过加热干燥制备CCM。阴阳极直涂的方法与热压转印的方法相比，由于催化剂层和质子交换膜的界面接触电阻更小，生产步骤也更少，使得膜电极性能更佳，成本更低。但是研发人员发现采用阴阳极直涂的方法制备CCM，催化剂层上容易出现裂纹，影响CCM性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种膜电极用催化剂浆料和其制备方法以及催化剂涂布膜、膜电极，采用阴阳极直涂的方法制备CCM，使用该种催化剂浆料可以制备出裂纹少的催化剂涂布膜。
[0005]专利技术人发现，由于催化剂浆料里含有醇和水，而质子交换膜是离聚物，质子交换膜两侧涂布上催化剂浆料后，会吸收催化剂浆料中的醇和水而溶胀，催化剂浆料涂布后需要加热干燥除去溶剂形成催化剂层，在加热干燥除去溶剂的过程中，质子交换膜吸收的醇和水会挥发，质子交换膜收缩，就导致涂布在质子交换膜两侧的催化剂层开裂了。并且在催化剂层的形成过程中有一个临界开裂厚度(critical crack thickness，CCT)的参数，涂层厚度大于CCT，则催化剂层会出现开裂甚至脱落的情况。文献研究表明，采用超声波分散浆料、用醇(乙醇、正丙醇以及乙醇和正丙醇的混合醇当中的一种)和水作为溶剂制备的CCM，CCT的厚度大约在8～10微米左右，这个厚度的阴极催化剂层的Pt载量大约为0.25mg/cm2左右，而为了满足车用燃料电池的性能和寿命要求，膜电极中需要的催化剂Pt载量常常需要高于这个值，如果催化剂Pt载量高于0.25mg/cm2，那么催化剂层的厚度会较高，从而造成催化剂层开裂。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种膜电极用催化剂浆料，其制成成分包括催化剂、全氟磺酸树脂、溶剂和添加剂，所述添加剂为含有至少两个含氮官能团的化合物或者聚合物。
[0008]进一步地，所述膜电极用催化剂浆料粘度大于300mpa.s，所述添加剂是水溶性的
且其沸点低于催化剂浆料加热干燥的温度。
[0009]进一步地，所述添加剂为有机脂肪族伯胺、有机脂肪族仲胺、有机脂肪族叔胺、芳胺和含氮杂环当中至少一种。
[0010]进一步地，所述添加剂为丁二胺。
[0011]进一步地，添加剂的质量是全氟磺酸树脂质量的0.1％～10％。
[0012]进一步地，添加剂的质量是全氟磺酸树脂质量的0.5％～5％。
[0013]进一步地，所述催化剂为铂金和碳颗粒催化剂，所述溶剂为水和低沸点醇的混合溶剂。
[0014]上述膜电极用催化剂浆料的制备方法，包括以下步骤：先使全氟磺酸树脂分散在溶剂中形成全氟磺酸树脂分散液，然后将所述添加剂加入全氟磺酸树脂分散液中得到含添加剂的全氟磺酸树脂分散液，再使含添加剂的全氟磺酸树脂分散液与催化剂混合均匀，制备得到催化剂浆料。
[0015]一种催化剂涂布膜，包括质子交换膜以及分别涂布在质子交换膜两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层，阳极催化剂层和/或阴极催化剂层由上述的催化剂浆料涂布后加热干燥制成。
[0016]一种膜电极，包括阳极气体扩散层、催化剂涂布膜和阴极气体扩散层，所述催化剂涂布膜是上述的催化剂涂布膜。
[0017]有益效果：添加剂为含有含氮官能团的化合物或者聚合物，其含氮官能团与全氟磺酸树脂的磺酸根具有一定强度的相互吸引作用，由于含氮官能团有至少两个，因此这些含氮官能团与全氟磺酸树脂的磺酸根相互作用可以使全氟磺酸树脂在溶剂中呈现物理交联(如图1所示)，从而使得全氟磺酸树脂的高分子链之间的缠结增加，即使质子交换膜收缩，催化剂浆料在干燥后也不容易产生裂纹。而且全氟磺酸树脂的高分子链之间的缠结使得全氟磺酸树脂在溶剂中的粒径尺寸增大，经涂布后催化层具有更好的透气性，该种催化剂浆料应用在膜电极中可以提高膜电极的电池性能。
附图说明
[0018]图1是全氟磺酸树脂和添加剂丁二胺相互作用的示意图；
[0019]图2是实施例一制备的催化剂涂布膜表面的显微镜照片图；
[0020]图3为实施例二制备的催化剂涂布膜表面的显微镜照片图；
[0021]图4为对比例一制备的催化剂涂布膜表面的显微镜照片图；
[0022]图5是实施例一、实施例二和对比例一制备的CCM的极化曲线图。
具体实施方式
[0023]此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0024]实施例一：
[0025]制备催化剂涂布膜的方法，包括以下步骤：
[0026](1)催化剂浆料制备：
[0027]先称取5～12％的铂金和碳颗粒催化剂、4～8％的全氟磺酸树脂和80～91％的溶剂，其中，全氟磺酸树脂选用科慕的D2020，铂金和碳颗粒催化剂选用日本田中贵金属(TKK)
产的Tec10F50e，溶剂为50～99份的水和1～50份的低沸点醇溶剂，低沸点醇溶剂选用甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇或异丁醇；再称取占全氟磺酸树脂1％质量分数的丁二胺作为添加剂备用。
[0028]催化剂浆料的具体制备过程如下：
[0029]首先先使全氟磺酸树脂分散在溶剂中形成全氟磺酸树脂分散液；然后再将添加剂丁二胺在搅拌下缓慢加入全氟磺酸树脂分散液中，搅拌均匀得到含添加剂的全氟磺酸树脂分散液，在这一过程中，丁二胺的含氮官能团与全氟磺酸树脂的磺酸根发生相互作用；最后使含添加剂的全氟磺酸树脂分散液与催化剂混合均匀，就制备得到了催化剂浆料。
[0030]本实施例制备催化剂浆料采用上述步骤，而不将催化剂、全氟磺酸树脂、溶剂和添加剂直接混合的原因是：催化剂中的金属颗粒会与全氟磺酸树脂的磺酸根形成弱的络合作用，如果催化剂、全氟磺酸树脂、溶剂和添加剂直接混合，催化剂中的金属颗粒可能会影响全氟磺酸树脂和添加剂相互作用的形成，因此本实施例先向全氟磺酸树脂分散液中加入添加剂丁二胺，使这两者形成相互作用后，再加入催化剂，就不会对全氟磺酸树脂和添加剂相互作用的形成产生影响了。
[0031](2)CCM制备：
[0032]使用狭缝涂布的方法在质子交换膜的阴极侧和阳极侧分别涂布上催化剂浆料后，升温至160℃以上使催化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极用催化剂浆料，其制成成分包括催化剂、全氟磺酸树脂和溶剂，其特征在于，其制成成分包括添加剂，所述添加剂为含有至少两个含氮官能团的化合物或者聚合物。2.根据权利要求1所述的膜电极用催化剂浆料，其特征在于，所述膜电极用催化剂浆料粘度大于300mpa.s，所述添加剂是水溶性的且其沸点低于催化剂浆料加热干燥的温度。3.根据权利要求1或2所述的膜电极用催化剂浆料，其特征在于，所述添加剂为有机脂肪族伯胺、有机脂肪族仲胺、有机脂肪族叔胺、芳胺和含氮杂环当中至少一种。4.根据权利要求3所述的膜电极用催化剂浆料，其特征在于，所述添加剂为丁二胺。5.根据权利要求1～4中任一项所述的膜电极用催化剂浆料，其特征在于，添加剂的质量是全氟磺酸树脂质量的0.1％～10％。6.根据权利要求5所述的膜电极用催化剂浆料，其特征在于，添加剂的质量是全氟磺酸树脂质量的0.5％...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨云松，赵明全，莫善云，叶思宇，邹渝泉，唐军柯，孙宁，
申请(专利权)人：鸿基创能科技广州有限公司，
类型：发明
国别省市：