[发明专利]催化剂墨水及其制备方法、燃料电池和车辆

说明书

本发明提出了催化剂墨水及其制备方法、燃料电池和汽车。该催化剂墨水包括：催化剂、连接剂、添加剂以及溶剂，所述溶剂包括水、一元醇以及二元醇之中的至少之一，所述溶剂与所述催化剂、所述连接剂、所述添加剂形成共沸混合物，所述催化剂包括具有多孔结构的碳基载体，以及负载在所述碳基载体上的活性金属，且所述催化剂的外表面以及所述多孔结构中，均附着有所述连接剂。该催化剂墨水在利用喷涂等方法形成催化剂层后，可令连接剂较为均匀的负载在催化剂颗粒的表层以及多孔结构中，或均匀分布在催化剂颗粒之间。由此，可以提高利用该催化剂墨水制备的催化剂层的催化性能。

技术领域

本发明涉及能源以及材料领域，具体地，本发明涉及催化剂墨水及其制备方法燃料电池和车辆。

背景技术

随着传统能源的衰竭和消耗，绿色储能装置以及各类绿色电池受到了研究人员的广泛关注。由于燃料电池是通过电化学反应，把燃料的化学能转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此具有能量转换效率高、有害气体污染少等优点。虽然燃料电池目前已实现商业化，但仍旧需要进一步降低成本。由于燃料电池需要通过电化学氧化还原反应，将燃料中的化学能进行转换，因此需要使用能够催化相应氧化还原反应的催化剂。而催化剂的活性金属通常为贵金属，因此目前降低燃料电池生产成本的一个方向，为降低电池电极中催化剂层的催化剂含量。例如，可通过采用具有纳米结构的负载物形成催化剂，以提高活性催化组分与离子导体的接触面积，提高催化效果，还可通过添加功能化的聚合物形成的粒子导体，提高负载有活性金属的多孔型催化剂的催化性能。具有上述结构以及组成的催化剂混合物通常可制成便于通过喷涂等工艺成膜的催化剂墨水。因此，在大规模生产过程中，保证催化油墨(催化剂墨水)的长期稳定性是非常重要的。

然而，目前用于燃料电池的催化剂墨水，和制备电极催化剂层的方法仍有待改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种催化剂墨水以及利用该催化剂墨水制备催化剂层的方法，以形成具有可被连接剂均匀覆盖的催化剂的催化剂层。

为达到上述目标，在本发明的一个方面，本发明提出了一种催化剂墨水。该催化剂墨水包括：催化剂、连接剂以及溶剂，所述溶剂包括水、一元醇以及二元醇之中的至少之一，所述溶剂与所述催化剂、所述连接剂形成共沸混合物，所述催化剂包括具有多孔结构的碳基载体，以及负载在所述碳基载体上的活性金属，且所述催化剂的外表面以及所述多孔结构中，均附着有所述连接剂。

进一步的，所述溶剂的沸点为70-150摄氏度，粘度为0.5-5mPa·s，可在水中混溶或在水中的溶解度大于150g/dm³。

进一步的，所述一元醇包括含有1-10个碳原子的直链或支链一元醇，所述二元醇包括含有1-15个碳原子的直链或支链二元醇。

进一步的，所述溶剂进一步包括二甲基亚砜、环丁砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮以及甲基乙酮中的至少之一。

进一步的，所述连接剂包括含有O、S、F中的至少之一的聚合物。

进一步的，所述聚合物的密度为1.6-2.2g/cm³。

进一步的，所述连接剂包括氟化乙烯丙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟磺酸以及全氟酰亚胺酸中的至少之一。

进一步的，所述聚合物进一步包括以下结构的至少之一：含有1-10个碳原子的支链，以及富电子官能团，其中，所述富电子官能团的当量值为500-1000。

进一步的，所述催化剂墨水包括添加剂，所述溶剂可与所述催化剂、所述连接剂以及所述添加剂形成共沸混合物，所述添加剂包括减粘剂、增粘剂、稳定剂以及清除剂中的至少之一，基于所述催化剂墨水的总质量，所述添加剂的含量为0.01wt％～1wt％。