一种燃料电池用催化剂浆料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种燃料电池用催化剂浆料及其制备方法，涉及燃料电池领域；一种燃料电池用催化剂浆料，按重量份计，包括催化剂颗粒、全氟磺酸树脂离聚物、超纯水、低级醇以及碳粉；本发明专利技术通过采用具有特定性质的多孔性碳粉，与全氟磺酸树脂离聚物相互作用，可以显著提高催化剂浆料的粘度及稳定性；并且该催化剂浆料涂布后形成的CCM性能好，在燃料电池使用时和气体扩散层中微孔层的碳接触时，不会产生任何不良影响。影响。影响。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用催化剂浆料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，更具体地，涉及一种燃料电池用催化剂浆料及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、环境友好、运行噪声低、维护方便、所用燃料易得等特点。它可以直接将燃料化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，安全可靠。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心，膜电极里的质子交换膜催化剂涂层(CCM)是由催化剂浆料涂覆在质子交换膜上所得。因此，催化剂浆料的稳定性和分散性直接影响到CCM的性能，最终影响到质子交换膜燃料电池性能。
[0003]目前制备CCM的方法有很多种，例如喷涂、转印、化学沉积法、电化学沉积法、物理溅射沉积法、干粉喷射法、打印法、狭缝涂布法等。传统的膜电极制备工艺，如喷涂、沉积、以及热压转印等不可连续化生产或者生产线速度较低(<1m/min)，很难应用到大规模工业生产中。而狭缝涂布技术，因其具有涂布速度快(线速度可以≧5m/min)、涂膜均匀性好、可连续化生产、涂布窗口宽等特点，是工业化制备CCM最有效的途径之一。
[0004]直接将浆料(含催化剂、树脂和溶剂)双面涂布到质子交换膜上制备的膜电极与用GDE(Gas Diffusion Electrode)法(先将催化剂层涂布到气体扩散层上，再与质子交换膜热压)制备的膜电极相比，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。但是采用直涂，因为涂层湿膜是一次成型，如果浆料粘度过低(＜50cps)，而质子交换膜燃料电池中催化剂层所用催化剂通常为含Pt碳载催化剂，是一种密度较大的金属，在催化剂浆料中容易沉降到底部，涂层表面树脂含量偏高，底层铂碳颗粒含量偏高；面层与气体扩散层接触，电子传导能力不足，如果树脂层致密严重甚至会阻碍气液传导；催化剂颗粒更富集在涂层底部，影响质子传导，又因为没有充足的气体供应，催化反应会受到影响。因此，很多研究对浆料进行增稠处理。
[0005]现有技术中，大多数以添加增稠剂的方式或改变制备工艺来增加浆料粘度。但会存在以下问题：(1)添加剂需要一定的量才能起作用，这样会影响燃料电池的性能，同时添加剂在燃料电池中稳定性不够，对燃料电池的寿命也造成一定的影响；(2)制备工艺复杂，浆料稳定性有限，不能满足催化剂浆料批量化生产及催化剂性能得到有效发挥的要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种燃料电池用催化剂浆料及其制备方法，催化剂浆料稳定性好，该浆料涂覆在质子交换膜上的催化层均匀性好，电化学性能好。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供一种燃料电池用催化剂浆料的制备方法。
[0008]本专利技术采取的技术方案是，一种燃料电池用催化剂浆料，包括如下组份，按重量份计：
[0009][0010]所述低级醇为碳原子数小于或等于3的醇。
[0011]本专利技术的燃料电池用催化剂浆料，所采用的催化剂颗粒是以碳为载体的，同时，在催化剂浆料中，加入碳粉，以增加浆料的粘稠性能，提高催化剂浆料的稳定性；由于催化剂的载体为碳，在催化剂浆料中加入碳粉，利用碳粉改善浆料的性质，涂布后不会对膜电极产生不良影响。当碳粉颗粒加入到催化剂浆料中，经物理机械搅拌预分散、然后高速剪切处理后，会嵌入到离聚物的分子链与分子链之间，使得离聚物的分子链处于无序混乱状态，当分子链处于无序状态时，浆料体系的粘度提高，从而使催化剂浆料保持良好的稳定性。
[0012]进一步地，所述碳粉为多孔性碳粉，其比表面积为300～660m2/g。
[0013]多孔性碳粉具有较大的比表面积；在催化剂浆料中，需要利用碳粉较大的比表面积来使催化剂颗粒分散，但比表面积过大的碳粉，其孔径过小，与离聚物以及浆料中的颗粒大小相差太大，不利于离聚物颗粒进入碳粉的孔径里面，相互作用就小，增稠效果不明显。
[0014]进一步地，所述碳粉的孔径在50～150nm。
[0015]进一步地，所述碳粉的粒径为4～6μm。
[0016]进一步地，所述催化剂颗粒为铂/碳催化剂颗粒、铂合金/碳催化剂颗粒、铂/金属氧化物催化剂颗粒、铂合金/金属氧化物催化剂颗粒中的一种或多种。
[0017]优选地，所述催化剂颗粒中的铂合金为铂钴合金、铂钴镍合金、铂镍合金中的一种，所述催化剂颗粒中的金属氧化物为氧化锡，氧化铈中的一种。
[0018]进一步地，所述催化剂颗粒中铂或铂合金的含量为20～60％。
[0019]当催化剂颗粒中的金属含量过高时，催化层厚度过薄，涂布CCM的质量不好控制，过低时，催化层厚度过厚，涂布的催化层容易从膜上掉下来。
[0020]进一步地，所述全氟磺酸树脂离聚物的离子交换当量为700～1100。
[0021]当离子交换当量低于700时，全氟磺酸树脂溶胀得很厉害，会堵塞催化层的孔径而增大气体扩散阻力，高于1100，全氟磺酸树脂里面的酸含量太低，质子电导率低。
[0022]进一步地，所述低级醇为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇中的一种或多种。
[0023]一种燃料电池用催化剂浆料的制备方法，包括如下步骤：
[0024]步骤1：配制全氟磺酸树脂离聚物溶液，将全氟磺酸树脂固体与1/3～2/3的低级醇、1/2的超纯水混合，在磁力搅拌器上搅拌12～48h，得到全氟磺酸树脂离聚物溶液；
[0025]步骤2：在剩余部分的超纯水中依次加入上述步骤1所配制好的全氟磺酸树脂离聚物溶液、碳粉、催化剂颗粒、剩余部分的低级醇，并使用机械搅拌桨将其初步混合0.5
‑
1h，然后再将其放在磁力搅拌器上搅拌0.5～1h；
[0026]步骤3：将步骤2预分散好的催化剂浆料，倒入高压剪切机中进行高压剪切分散处
理，得到目标催化剂浆料。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术通过采用具有特定性质的多孔性碳粉，与全氟磺酸树脂离聚物相互作用，可以显著提高催化剂浆料的粘度及稳定性；并且该催化剂浆料涂布后形成的CCM性能好，在燃料电池使用时和气体扩散层中微孔层的碳接触时，不会产生任何不良影响。
附图说明
[0028]图1为实施例1与对比例1～5的催化剂浆料所制备的膜电极样品单电池性能曲线对比图。
[0029]图2为实施例1～4与对比例1的催化剂浆料所制备的膜电极样品单电池性能曲线对比图。
[0030]图3为对比例5的阴极催化层光学显微镜图。
[0031]图4为实施例1的阴极催化层光学显微镜图。
具体实施方式
[0032]本专利技术附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制。
[0033]中国专利201911393214中公开了一种抗沉降的燃料电池催化剂浆料的制备方法，依此通过磁力搅拌、超声分散、高压剪切、在真空中使用均质机搅拌的分散方式得到稳定催化剂浆料。该制备方法过程复杂，浆料稳定性有限，难以批量化生产。
[0034本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用催化剂浆料，其特征在于，包括如下组份，按重量份计：所述低级醇为碳原子数小于或等于3的醇。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用催化剂浆料，其特征在于，所述碳粉为多孔性碳粉，其比表面积为300～660m2/g。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池用催化剂浆料，其特征在于，所述碳粉的孔径在50～150nm。4.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池用催化剂浆料，其特征在于，所述碳粉的粒径为4～6μm。5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用催化剂浆料，其特征在于，所述催化剂颗粒为铂/碳催化剂颗粒、铂合金/碳催化剂颗粒、铂/金属氧化物催化剂颗粒、铂合金/金属氧化物催化剂颗粒中的一种或多种。6.根据权利要求5所述的一种燃料电池用催化剂浆料，其特征在于，所述催化剂颗粒中的铂合金为铂钴合金、铂钴镍合金、铂镍合金中的一种，所述催化剂颗粒中的金属氧化物为氧化锡，氧化铈中的一种。7.根据权利要求5所述的一种燃料电池用催化剂浆料，其特征在于，所述催...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫善云，赵明全，钟家强，郑冬勇，谭文，杨云松，叶思宇，邹渝泉，唐军柯，
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：