[发明专利]一种燃料电池催化层固态粉料及其制备方法与应用

说明书

本发明提出一种干法制备燃料电池催化层粉料的制备方法：将燃料电池催化剂与粘结剂分散均匀，然后处理形成固态浆料，最后将浆料进一步研磨均匀形成粉末，即可用于干法制备催化层。这种干粉可以直接涂覆于种膜和扩散层表面，与湿法涂覆相比涂覆效率高，还可在尺寸稳定性相对较差的Nafion膜表面直接涂覆。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池催化层固态粉料的制备方法。

背景技术

与传统化石能源相比，燃料电池具有高效、零污染等优点，是新能源汽车和固定电站的首选替代能源，受到各国研究人员广泛关注。膜电极作为燃料电池的关键部件，直接决定燃料电池的性能、寿命和成本。膜电极的制备工艺主要在于催化层的制备，其制备方法有：喷涂、丝网印刷和涂布等。不论那种制备工艺其目的均是将催化剂和导电聚合物均匀的分布于膜或者气体扩散层表面。传统的工艺为将催化剂和导电聚合物用溶剂均匀分散形成浆液，然后再将浆液均匀涂覆，最后通过干燥和热处理让溶剂挥发从而形成电极。这类湿法制备方法在制备过程中引入大量溶剂，使得催化层制备过程周期较长，而且由于醇类低沸点溶剂的存在，制备过程中存在催化剂着火的风险。

发明内容

本发明旨在提供一种燃料电池催化催化层固态粉料的制备方法，不同于前文提到的湿法制备方法，本方法为一种干法制备方法。本方法先将催化剂与粘结剂分散均匀，然后处理形成固态浆料，最后将浆料进一步研磨均匀形成粉末，即可用于干法制备催化层。这种干粉可以直接涂覆于种膜和扩散层表面，与湿法涂覆相比涂覆效率高。

本发明一方面提供一种用于燃料电池催化层固态粉料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将催化剂和粘结剂用少量溶剂分散均匀。催化剂和溶剂比例为1-20倍，优选5-10倍，先超声分散15-30分钟，然后机械搅拌0.1-2h，得到催化剂浆料；

(2)在氮气保护下加热挥发溶剂，加热时间和温度与浆料量和溶剂种类相关，目的是让溶剂全部挥发，获得催化剂和粘结剂均匀分散的固态混合物。然后研磨得到的催化层和粘结剂的固态混合物获得催化剂固态粉料；所述加热温度为30-400℃，优选50-100℃，加热时间为1-24h。基于以上技术方案，优选的，所述催化剂为Pt/C系列、Pt黑、PtRu/C系列、PtRu黑、PtCo/C系列、PtNi/C系列、PtPd/C系列等含Pt的一元、两元或三元合金催化剂。

基于以上技术方案，优选的，所述粘结剂为全氟磺酸乳液或含氟聚合物，如：聚四氟乙烯(PTFE)乳液、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物(FEP)乳液、聚偏氟乙烯(PVDF)乳液、聚三氟氯乙烯(PCTFE)乳液中的至少一种；所述乳液的质量浓度为为1-60wt％，优选5-30wt％。

基于以上技术方案，优选的，所述催化剂和粘结剂的分散方法为将催化剂粉末和粘结剂用液体分散均匀，步骤(1)中所述溶剂为水和有机溶剂；所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、正丙醇或正丁醇。

基于以上技术方案，优选的，所述研磨为玛瑙研钵研磨或球磨机研磨。通过研磨将团聚在一起的大颗粒分离开，量少可采用玛瑙研钵研磨，量多可采用球磨机研磨。

基于以上技术方案，优选的，所述催化剂与粘结剂的比例为10:1-1:5，优选为9:1-2:5；所述催化剂和溶剂的比例为1:1-1:20，优选为1:5-1:10；所述机械搅拌速率为100-5000转/分钟，优选为为500-2000转/分钟。

基于以上技术方案，优选的，所述步骤(1)为：先加水润湿催化剂，然后加入溶剂超声分散均匀，最后加入粘结剂，采用机械搅拌和/或超声搅拌得到所述催化剂浆料。催化剂和粘结剂分散均匀后，需将浆液挥发溶剂以获得固体混合物，溶剂挥发的方法为将浆料放入广口容器中，将容器置于室温或者加热，待溶剂挥发后可获得固态粉料。溶剂挥发条件与溶剂成分相关，一般高沸点溶剂比例高挥发溶剂需要的温度相对较高、时间较长。

本发明另一方面提供一种权利上述方法制备的燃料电池催化层固态粉料。