[发明专利]含水凝胶的催化剂浆料及制得的催化层和燃料电池电极

说明书

本发明涉及一种含水凝胶的催化剂浆料及制得的催化层和燃料电池电极，所述催化剂浆料包括有机溶剂以及溶于有机溶剂中的催化剂、离子导体和水凝胶，所述水凝胶选自木质素磺酸盐类水凝胶或丙烯酸类水凝胶中的一种。催化剂浆料涂覆而成催化层。燃料电池电极采用以下制备方法制备得到：(a)称取催化剂、离子导体和水凝胶，并依次溶于有机溶剂中，均匀分散后即得催化剂浆料；(b)将步骤(a)得到的催化剂浆料均匀涂覆在气体扩散层或质子交换膜上，后进行干燥处理，制得燃料电池电极。与现有技术相比，本发明可有效改善传统燃料电池电极在高温低湿度操作下可能出现的水管理问题，保证燃料电池的输出性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种含水凝胶的催化剂浆料及制得的催化层和燃料电池电极。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种能够将化学能直接转化为电能的能量转换装置。它具有能量转化效率高(40-60％)、操作温度低、启动速度快、对环境友好等显著优点，是目前国内外车用燃料电池所采用的主要技术形式。

膜电极(Membrane Electron Assembly，MEA)是燃料电池的核心部件。常规的膜电极制备方法是将催化剂与质子导体(如Nafion)按一定比例混合分散，形成催化剂浆料，再将催化剂浆料通过喷涂或刷涂等方法制备成气体扩散电极(Gas Diffusion Electrode，GDE)或催化剂涂覆膜(Catalyst-coated Membrane，CCM)。但常规的催化剂浆料及由此制备出的催化层电极和膜电极，由于缺少高保水性质子导体组分，因此难以很好适应高温低湿操作环境，无法满足未来燃料电池技术的发展趋势。

专利CN103107344A公开了一种催化剂浆料及制备催化剂浆料与膜电极组件的方法。其中，催化剂浆料含有：催化剂，催化剂为选自Pt/C、Pt和Pt-M/C的至少一种，其中，M为选自Co、Mo、W、Ru和Pd的一种或者两种；质子交换树脂；有机溶剂；以及增稠剂，其中，催化剂浆料的粘度为50mpa/s以上。该催化剂浆料在常规催化剂浆料体系基础上使用增稠剂以提高浆料粘度，此种方式只能配合涂布工艺采用，而且该浆料体系难以满足高温低湿操作条件，无法适应下一代电极的使用要求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种含水凝胶的催化剂浆料及制得的催化层和燃料电池电极，可有效改善传统燃料电池电极在高温低湿度操作下可能出现的水管理问题，保证燃料电池的输出性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种催化剂浆料，所述催化剂浆料包括有机溶剂以及溶于有机溶剂中的催化剂、离子导体和水凝胶，所述水凝胶选自木质素磺酸盐类水凝胶或丙烯酸类水凝胶中的一种或多种。其中，水凝胶为纳米级水凝胶。木质素磺酸盐类水凝胶和丙烯酸类水凝胶均采用市售产品即可，其中木质素磺酸盐类水凝胶优选为木质素磺酸钠盐水凝胶。

优选地，所述催化剂选自碳载铂催化剂或碳载铂合金催化剂中的一种或多种，所述碳载铂合金催化剂选自PtCo/C、PtNi/C、PtFe/C、PtCu/C或PtCoCe/C中的一种或多种。

优选地，所述离子导体为全氟磺酸离聚物树脂，所述全氟磺酸离聚物树脂来自全氟磺酸离聚物树脂溶液。进一步优选地，所述全氟磺酸离聚物树脂溶液选自D520、D2020、D79、SS700C或SS900C中的一种或多种。

优选地，所述有机溶剂选自乙醇、异丙醇或正丙醇中的一种或多种。

优选地，所述离子导体溶液中离子导体与催化剂中炭载体的质量比为(0.2～2.0):1；

所述催化剂的担载量为0.05～0.5mg/cm²，该担载量是Pt基催化剂中的Pt含量与电极面积的比值，另外，Pt在Pt基催化剂中的质量含量为40～60wt.％；