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

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、催化剂分散体及其制备方法，催化剂分散体，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预处理后的溶剂中均化，均化过程中通入保护气。通过本发明的催化剂分散体及其制备方法，制备具有高反应活性和性能优越的催化剂浆液，防止催化剂粒子氧化，防止催化剂浆液分层，进而制备出催化剂层均匀的燃料电池电极。

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、催化剂分散体及其制备方法。

背景技术

本发明涉及的催化剂分散体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制作时的催化剂分散体对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，意外的发现了一个重要的控制因素，即催化剂的被氧化，甚至离子化而溶解。氧化反应的发生不但会降低催化剂的有效表面积，降低催化剂活性，还会使催化剂粒子的表面性质发生变化，进而影响催化剂层浆液的稳定性及可涂抹性。本专利申请人对催化剂的被氧化的原因及其造成的不良后果做了研究，且设计出本发明燃料电池用电极、催化剂分散体及其制备方法。据申请人所知，该现象及预防催化剂氧化的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防止制作电极时，催化剂浆液中的催化剂粒子氧化导致的浆液分相，进而无法制作电极，通过本发明的催化剂分散体及其制备方法，制备具有高反应活性和性能优越的催化剂浆液，防止催化剂粒子氧化，防止催化剂浆液分层，进而制备出催化剂层均匀的燃料电池电极。

为实现上述目的，本发明提供了一种催化剂分散体，包括催化剂、溶剂、质子交换聚合物，其特征在于，预处理溶剂，将催化剂和质子交换聚合物加入预处理后的溶剂中均化，均化过程中通入保护气，所述预处理的过程为，预先通入保护气，持续搅拌溶剂至均化，所述保护气为惰性气体，选自氮气，所述催化剂为碳载铂或碳载铂合金。

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。

进一步地，所述质子交换聚合物与所述催化剂的质量比0.2至0.7。

进一步地，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，所述铂合金为铂钴、铂钒、铂铬、铂锰、铂铁、铂镍、铂铜的一种或多种。

进一步地，所述溶剂为水-醇混合液，所述醇选自正丙醇、异丙醇、甲醇、乙醇、丁醇中的一种或多种，所述溶剂中水-醇的质量比为1:9至9:1。

进一步地，所述质子交换聚合物为多氟聚乙烯磺酸。

进一步地，均化过程为超声、机械搅拌、磁力搅拌中的一种或多种。

进一步地，均化过程中，保持催化剂分散体温度为5-40℃。