制备燃料电池用催化剂溶液和使用该催化剂溶液制备膜电极组件的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备燃料电池中的膜－电极组件用催化剂溶液的方法，所述方法包括以下步骤：ａ）将催化剂颗粒分散于水中的催化剂溶液（溶液Ａ）与离子传导性树脂溶解于水、低沸点有机溶剂或它们的混合物中的离子传导性树脂溶液（溶液Ｂ）混合，以形成分散液；ｂ）将由步骤ａ）获得的所述分散液与溶解于高沸点溶剂或低沸点溶剂与水的混合物中的功能性添加剂（溶液Ｃ）混合，以制备催化剂油墨分散液；和ｃ）老化由步骤ｂ）获得的催化剂油墨分散液。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池中的膜电极组件用催化剂溶液和使用所述催化 剂溶液制备膜-电极组件的方法，其中，与常规技术相比，工艺出品率得 到提高、电化学性能优异，并且可以容易地控制所涂布的催化剂颗粒的
技术介绍
燃料电池是通过诸如氢或甲醇等燃料与氧的电化学反应将燃料的化 学能直接转化为电能的装置。与常规的热力发电不同，燃料电池由于不进行卡诺循环而表现出较高的发电效率，并且含有诸如NOx和SOx等污 染物的废气的量较少，在运转期间还不产生噪音。因此，燃料电池作为 下一代清洁能源而受到关注。根据所使用的电解质，燃料电池可分为聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧 化物燃料电池(SOFC)，等等。其中，较之其它类型，聚合物电解质膜燃 料电池具有较低的运转温度，并具有良好的发电效率及小型化的性质， 因而在电动车电源、小型发电装置(例如家庭用发电装置)、移动电源、应 急电源和军用电源等方面存在潜在的用途。聚合物电解质膜燃料电池通常由七层构成隔离物/气体扩散层/燃料 电极/聚合物电解质膜/空气电极/气体扩散层/隔离物。由除位于两端的隔 离物之外的5层构成的结构通常被称作膜-电极组件(MEA)。关于燃料电池的运转原理，首先是诸如氢和甲醇等燃料通过隔离物 和气体扩散电极的流动区域均匀地供给至燃料电极，同时与燃料电极一 样，空气或氧气则通过隔离物和气体扩散电极的流动区域均匀地供给至空气电极。在燃料电极中，燃料被氧化，产生氢离子和电子。氢离子穿过电解 质膜向空气电极移动，而电子穿过导线管和负载(其构成外部电路)向空气 电极移动。在空气电极中氢离子和电子与氧进行还原反应产生水，该水 从燃料电池中排出。各种因素都会影响燃料电池的性能。当仅考虑膜-电极组件时，孔结 构应该得到正确控制，以使燃料电极和空气电极中具有相容的气体扩散 性、离子传导性和保湿性，并且，增大通常被称为三相边界反应面积的 有效反应面积非常重要。制备膜-电极组件的方法主要包括在聚合物电解质膜上直接涂布由催化剂、聚合物电解质和溶剂构成的油墨的方法(J. Power Sources, 86， (2000), 352);和在诸如碳纸或碳布等气体扩散电极上涂布所述油墨并将 其压在聚合物电解质膜上的方法。根据后一种方法，催化剂颗粒易被压在多孔的气体扩散电极中，因 而几乎不能获得均质的催化剂层。另外，还可能因挤压而出现机械损伤， 并且无法适当地控制经涂布的催化剂层中的孔结构，使得电化学性能无 法得到充分的开发。为将所述油墨直接涂布在聚合物电解质膜上，通常采用丝网印刷、 辊筒印刷、喷射和喷墨印刷等。当采用丝网印刷或辊筒印刷时，很难涂 布少量的油墨，而另一方面，随着涂布的油墨量的增加，聚合物电解质 膜容易扩张。当采用喷墨印刷时，所表现出的缺点在于，由于涂布的油 墨的量基本上为痕量，因而涂布时间过长，以至于降低了生产率。此外，喷射的优点在于可随心所欲地控制涂布量，即使在油墨的粘 度较低的情况下也可以获得稳定的涂布量。然而，问题表现在，在电解 质膜上进行涂布时，若溶剂蒸发或催化剂颗粒的分散稳定性降低，则可 能出现喷嘴堵塞，由此导致工艺出品率降低，并且难以控制涂布量。作为通过改变油墨组合物来控制催化剂层的孔结构和提高电化学性 能的尝试，日本专利特开2000-353528号公报由此公开了使用具有3维网 状多孔结构的催化剂载体和一种或多种聚合物合成用在油墨中的催化剂-聚合物络合物。作为其它尝试，日本专利特开第1996-264190号公报和J. Power Sources 135(2004) 29公开了将拟结合于油墨中的聚合物电解质分散在溶 剂中以形成胶体，并使该胶体吸附在催化剂颗粒上；而日本专利特开第 2000-188110号公报和第2005-108827号公报公开了降低结合于油墨中的 聚合物电解质的分子量。然而，这些技术都不能令人满意地达到使气体 扩散性、离子传导性与保湿性相容的目的，并且这些技术还可能因使用 过多的有机溶剂而引起环境问题
技术实现思路
技术问题为解决如上所述的常规技术的问题，本专利技术的目的在于提供燃料电 池中的膜-电极组件用催化剂溶液和使用所述催化剂溶液制备膜-电极组 件的方法，其中，与常规技术相比，工艺出品率得到提高，电化学性能 优异，并且可以容易地控制催化剂颗粒的涂布量。技术方案本专利技术涉及制备燃料电池用催化剂溶液的方法，其中，控制粒径、 所述催化剂溶液的粘度和溶剂的表面张力，以使涂布后的催化剂层的孔 结构为三维网状结构，所述方法包括以下步骤a) 将催化剂颗粒分散在水中的催化剂溶液(溶液A)和离子传导性树 脂溶解在水、低沸点有机溶剂或它们的混合物中的离子传导性树脂溶液 (溶液B)混合，以形成分散液；b) 将由步骤a)获得的分散液与溶解在高沸点溶剂或低沸点溶剂与水 的混合物中的功能性添加剂(溶液C)混合，以制备催化剂油墨分散液；和c) 老化由步骤b)获得的催化剂油墨分散液。 下面将详细描述根据本专利技术的一个实施方式的方法。在步骤a)中，将催化剂溶液(溶液A)和离子传导性树脂溶液(溶液B) 混合并分散。溶液A通过以下方式制备将催化剂颗粒混合在超纯水中 以除去吸附在催化剂颗粒表面上的气体或其它污染物，并对该表面进行取代以使其具有亲水性。此阶段所使用的催化剂颗粒包括负载在碳质物 质表面上的尺寸为数纳米的金属，所述碳质物质例如为炭黑、活性碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角(nanohom)、碳球或它们的混合物，所 述金属例如为铂、钌、钯、金、铱、铼、铁、镍、钴、钨、钼或它们的 合金。相对于100重量份的载体，负载的金属的量为10重量份 60重量 份。相对于IOO重量份的超纯水，混入的催化剂颗粒的量优选为至少 O.l重量份，但本专利技术并不特别限制于此条件。然后将通过将离子传导性树脂溶解在水、低沸点溶剂或低沸点溶剂 的水溶液中而制备的离子传导性树脂溶液(溶液B)加入到催化剂溶液(溶 液A)中，并通过使用均化器或珠磨机进行分散，以使催化剂颗粒的平均 粒径(d50)为2 ,以下。离子传导性树脂被吸附在催化剂颗粒的表面上从 而引起颗粒之间的电排斥或空间排斥，由此部分地起到防止颗粒凝集的 作用。相对于IOO重量份的催化剂颗粒，离子传导性树脂的适宜量为10重 量份 150重量份。如果该量小于10重量份，则油墨的分散性会降低， 使得喷射过程中可能会出现喷嘴堵塞。另一方面，如果该量大于150重 量份，则喷涂后离子传导性树脂会覆盖催化剂颗粒，导致电化学反应的 有效反应面积降低。可用于本专利技术的低沸点溶剂可以是选自下述物质的溶剂醇，例如 甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、己醇和环己醇；酮，例如丙酮、甲基乙基 酮(MEK)、甲基异丁基酮(MIBK)、环己酮、异佛乐酮、4-羟基-4-甲基-2-戊酮；和烃，例如甲苯、二甲苯、己垸和环己烷；或者它们的混合物。 可以向该溶剂中部分加入诸如N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺等 酰胺和亚砜。在步骤b)中，为另外提供功能性，在搅拌下，将在高沸点 溶剂的低浓度水溶液中或在高沸点溶剂和低沸点溶剂的低浓度水溶液中 的添加剂(溶液C)与由步骤a)获得的分散液混合。此时，高沸点溶剂起到使聚集体(在喷射过程中，当低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备燃料电池中的膜－电极组件用催化剂溶液的方法，所述方法包括以下步骤：　ａ）将催化剂颗粒分散于水中的催化剂溶液（溶液Ａ）和离子传导性树脂溶解于水、低沸点有机溶剂或它们的混合物中的离子传导性树脂溶液（溶液Ｂ）混合，以形成分散液；　ｂ） 将由步骤ａ）获得的所述分散液与溶解在高沸点溶剂或低沸点溶剂与水的混合物中的功能性添加剂（溶液Ｃ）混合，以制备催化剂油墨分散液；和　ｃ）老化由步骤ｂ）获得的所述催化剂油墨分散液。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：张炳哲，金荣泽，杨祯恩，郑隋，柳东桓，徐民浩，
申请(专利权)人：韩华石油化学株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]