[发明专利]聚合物分散剂加入燃料电池电极油墨用于改进可加工性

说明书

技术领域

本发明总的涉及用于形成燃料电池电极的油墨组合物。

背景技术

燃料电池在许多应用中用作电能源。特别地，提出了在汽车中使用以替代内燃机的燃料电池。普遍使用的燃料电池设计使用了固体聚合物电解质(“SPE”)隔膜或质子交换隔膜(“PEM”)，以提供阳极与阴极之间的离子传输。

在质子交换隔膜类型燃料电池中，氢气作为燃料送到阳极并且氧气作为氧化剂送到阴极。氧气可以为纯的形式(O₂)或空气(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有隔膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物隔膜在一面上具有阳极催化剂和在相反一面上具有阴极催化剂。质子从阳极流过离子导电聚合物隔膜到达阴极，在那里它们与氧气合并形成水，水从电池中排出。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，扩散层反过来夹在一对无孔的导电元件或板之间。板充当用于阳极和阴极的电流收集器，并且含有形成于其中的合适通道和开口，用于使燃料电池的气态反应物分布在相应的阳极和阴极催化剂表面。为了有效地产生电流，PEM燃料电池的聚合物电解质隔膜必须薄、化学稳定、传输质子、非导电和气体不透过。在典型应用中，燃料电池以许多单个燃料电池堆的阵列提供，以提供高电能水平。

PEM燃料电池中的电极层通常包含与充当粘合剂和质子导电膜的聚合物偶联的Pt/碳电催化剂。为了实现更耐用的生产工艺，通过加入分散剂适宜地控制涂覆/干燥步骤期间电极油墨的流变性。

因此，需要改进用于燃料电池应用的电极油墨的流变性。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供用于形成燃料电池电极的油墨组合物解决了现有技术的一个或多个问题。本实施方案的油墨组合物包括催化剂组合物、聚合物粘合剂、聚合物分散剂和溶剂。聚合物分散剂包括含全氟环丁基的聚合物。有利地，本实施方案提供了在非常低的加入量下有效、避免在燃料电池堆中迁移和在燃料电池的典型高度腐蚀工作环境中耐用的分散剂聚合物技术。

具体地说，本发明涉及以下方面：

1. 一种用于形成燃料电池电极的油墨组合物，该油墨组合物包含：

催化剂组合物；

聚合物粘合剂；

包含包括全氟环丁基的聚合物链段的聚合物分散剂；和

溶剂。

2.第1项的油墨组合物，其中催化剂组合物包含贵金属。

3.第1项的油墨组合物，其中催化剂组合物进一步包含催化剂载体。

4.第3项的油墨组合物，其中聚合物分散剂与催化剂载体的重量比为约0.05-0.2。

5.第3项的油墨组合物，其中贵金属或贵金属氧化物与载体的重量比为约0.2-0.8。

6.第1项的油墨组合物，其中催化剂组合物以占油墨组合物总重量为约1-6重量%的量存在。

7.第1项的油墨组合物，其中聚合物粘合剂以占油墨组合物总重量为约1-约5重量%的量存在。

8.第1项的油墨组合物，其中聚合物分散剂以占油墨组合物总重量为0.5-5重量%的量存在。

9.第1项的油墨组合物，其中包括全氟环丁基的聚合物链段具有下式：

 或   。

10.第7项的油墨组合物，其中聚合物分散剂包括憎水区和亲水区。

11.第4项的油墨组合物，其中亲水性聚合物嵌段具有约1-约4meq/g的离子交换容量。

12.第1项的油墨组合物，其中聚合物分散剂包括包含聚合物链段2的亲水性聚合物区和包含聚合物链段3的憎水性聚合物区：

    2

         3

其中:

Z₁为-SO₂X、-PO₃H₂或-COX；

E₁为含芳族基的部分；

E₂为未磺化的含芳族基和/或含脂族基的部分；

X为-OH、卤素、酯，或

；

d为与E₁相连的Z₁的数目；

P₁、P₂、P₃、P₄各自独立地为不存在、-O-、-S-、-SO-、-CO-、-SO₂-、-NH-、NR₂-或-R₃-；