[发明专利]燃料电池用电极、膜电极组件、芯片、催化剂层、催化剂分散液及其制备方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池用电极、膜电极组件、芯片、催化剂层、催化剂分散液及其制备方法。催化剂分散液，包括催化剂、溶剂、质子(氢离子)交换聚合物，将催化剂和质子交换聚合物加入溶剂中均化，所述溶剂为水‑醇混合液。通过本发明的催化剂分散液及其制备方法，操作者根据催化剂表面性质调整溶剂的亲水性/疏水性配合比例，使制得的催化剂浆液均匀化，催化剂与质子交换聚合物均匀混合，将催化剂的利用率最大化，提升燃料电池性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池膜电极制备领域，尤其涉及一种燃料电池用电极、膜电极 组件、芯片、催化剂层、催化剂分散液及其制备方法。

背景技术

本发明涉及的催化剂分散液能够用于制作催化剂涂层-质子交换膜复合体(catalyst-coated-membrane，以下简称CCM)，一般用于电化学领域，如燃料电池 和电解槽。质子交换膜是一种薄膜，约10-20微米，用于分隔阴极与阳极，只让质 子与水分子通过，尽可能降低电池产热量并提高产电量。

在CCM构造中，质子交换膜的两面分别是阴极与阳极，燃料电池运行时，阳 极气体流道中通氢气，阴极气体流道中通空气或氧气。氢气在阳极上氧化成质子， 然后通过质子交换膜在阴极催化剂粒子上与氧气以及经外电路来的电子形成水分 子。因为燃料电池在应用中需很大电流，因此催化剂粒子必要小至纳米(10^-9米) 范围才有足够总表面积负载所需电流。催化剂层是由催化剂粒子及质子交换聚合物 构成。制作催化剂层的过程包括均匀混合催化剂粒子及质子交换溶液，然后将其以 喷涂，转印，或其它方法涂于质子交换膜的上面，再经干燥或加热压而成。此制作 催化剂层的过程中要避免团聚，即保持催化剂粒子与质子交换聚合物的均匀混合。

然而，在所有制备CCM的文献、专利或其它出版物中，没有对CCM制作时 所使用的分散剂对CCM里催化剂层的性能有影响的披漏。本专利申请人在CCM 墨汁配方制作中，意外地一个重要的控制因素，即催化剂与的质子交换聚合物(如 )的均匀混合是与CCM浆液中所用溶剂有关系。发现调整催化剂表面与溶 剂的亲水性/疏水性配合对催化剂层性能有较大影响。本专利申请人对溶剂及其对 CCM浆液所形成催化剂层的影响，如催化剂的电化学表面积(ECSA)及还原氧气 的活性做了研究，且发现了增进ECSA及电化学活性的方法。据申请人所知，该 现象及方法尚未在公开出版物中披露。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是制作催化剂分散液时，如何选用最适合的分散剂使催化剂与质子交换聚合物均匀混合，通过本发明的 催化剂溶剂及其制备方法，操作者根据催化剂表面性质调整溶剂的亲水性/疏水性 配合比例，使制得的催化剂浆液均匀化，催化剂与质子交换聚合物均匀混合，将催 化剂的利用率最大化，提升燃料电池性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种催化剂分散液，包括催化剂、溶剂、质子 交换聚合物，将催化剂和质子交换聚合物加入溶剂中均化，所述溶剂为水-醇混合 液。

进一步地，所述醇选自正丙醇、异丙醇、甲醇、乙醇、丁醇中的一种或多种。

进一步地，溶剂中水-醇的质量比为1:9至9:1。

优选地，所述醇是正丙醇。

进一步地，溶剂中水-正丙醇的质量比为3:7至5:5。

进一步地，所述质子交换聚合物与所述催化剂的质量比0.1至1。

优选地，所述质子交换聚合物与所述催化剂的质量比0.2至0.7。

优选地，所述质子交换聚合物与所述催化剂的质量比0.25至0.6。

进一步地，所述催化剂选自贵金属、贵金属复合物、贵金属/碳、贵金属复合 物/碳、贵金属/金属复合物、贵金属/金属复合物/碳中的一种或多种。

进一步地，所述贵金属选自铂、钯、铑、铱、钌中的一种或多种。