[发明专利]一种燃料电池催化剂浆液及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体的说涉及催化剂浆液，本发明还涉及该催化剂浆液的应用。

背景技术

近几年来，新型清洁能源的开发、现有能源的合理利用与环境保护相互协调发展已成为本世纪世界经济发展的基础。燃料电池(Fuel Cells)是一种不经过燃烧过程直接将化学能转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、低污染、环境友好的突出优点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，成为各国政府与大公司研究和开发焦点。燃料电池因电解质种类的不同而分为碱型、磷酸型、固体高分子型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型等。由于固体高分子型燃料电池（PEFC）在低温下工作，具有高输出密度，并能够实现小型化、轻量化，所以被期待用作便携式电源、家庭用电源、车辆用动力源。经过几十年的发展，其技术日趋成熟，目前已处于商业化的前夜。但是，PEFC若要实现大规模的使用，必须实现其关键技术和关键材料方面的突破，以确保其稳定性和可靠性,同时大幅度降低其成本。膜电极（Membrane Electrode Assembly,MEA）是PEFC的核心部件，是影响PEFC比功率密度、能量密度分布及其工作寿命的关键因素。目前MEA的研究表明，其存在的问题主要集中在：电极催化层和气体扩散层的结构不合理，致使催化剂利用率较低，反应气和液态水的传递阻力大，高电流密度区浓差极化损失大；电池输出性能有待提高。

本发明通过催化剂浆液粘度和固含量的物性优化制备得到性能优异的催化剂浆液，并将此浆液用于制备燃料电池催化层，制备得到的催化层中催化剂的利用率高，电池反应过程中高电流密度区域的传质极化降低。

发明内容

为实现上述目的，本发明采用以上技术方案来实现：

一种燃料电池催化剂浆液，包括催化剂、导电聚合物和溶剂；所述催化剂浆液的粘度为100-1000mPa·s；固含量为5-60wt%，其中催化剂的浓度为4～55wt%。

所述催化剂浆液的较优粘度为300-900mPa·s；较优固含量为10-40wt%。

所述催化剂浆液的最优粘度为500-800mPa·s；最优固含量为15-25wt%。

所述溶剂为有机溶剂、或有机溶剂和水的混合物。

所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、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)中的一种或两种以上。

所述溶剂为有机溶剂和水的混合物时，有机溶剂质量含量为40-90wt%。

所述导电聚合物为全氟磺酸树脂、脂肪族类磺酸树脂、芳香族类磺酸树脂中的一种或两种以上。

所述催化剂为Pt黑、PtRu黑、Pt/C、PtRu/C、PtM/C中的一种或两种以上，其中M为Fe、Co、Ni、Au、Pd、Sn、Pb、Mn中的一种或两种；催化剂还可以为非贵金属类催化剂M/N/C其中M为Fe、Co、Ni等金属。

此浆液制备催化层可采用丝网印刷法、刮涂法、刷涂法、涂布法中的任一一种。

此浆液制备催化层时所用的基底材料为聚四氟乙烯(PTFE)膜、聚酯（PET）膜、聚酰亚胺高温膜、Nafion膜、全氟磺酸类复合膜、碳纸、碳布中的任一一种。

该浆液制备的催化层用于制备质子交换膜燃料电池的阳极和/或阴极。

该浆液制备的电极用于组装质子交换膜燃料电池。

与现有技术相比，本发明提供了一种燃料电池催化层浆液，该催化层浆液的粘度和固含量可控，浆液稳定性好，可保证批量制备的一致性和可重复性；另外，该催化剂浆液中催化剂分散均匀、制备的催化层催化剂利用率高、催化层孔径分布有利于气液传质；制备的MEA组装的单电池在性能和稳定性均有优势。

附图说明

图1为实施例1中的催化剂浆液与对比例1中的催化剂浆液放置前后对比。对比例1中单一乙醇做溶剂制备的催化剂浆液放置2小时后，浆液出现沉降。而实施例1中的催化剂浆液1放置12h也没有沉降，具有较高的稳定性。

图2为实施例1中的催化剂浆液与对比例1中的催化剂制备的催化层表面形貌对比。对比例1中单一乙醇作溶剂制备的催化层表面比较粗糙，而实施例1中催化剂浆液制备的催化层比表面比较均匀，一致性好。