[发明专利]膜电极用催化剂浆料和其制备方法以及催化剂涂布膜、膜电极

说明书

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种膜电极用催化剂浆料和其制备方法以及催化剂涂布膜、膜电极。该种膜电极用催化剂浆料，其制成成分包括催化剂、全氟磺酸树脂、溶剂和添加剂，所述添加剂为含有至少两个含氮官能团的化合物或者聚合物。使用该种催化剂浆料，采用阴阳极直涂的方法制备催化剂涂布膜可以制备出裂纹少的催化剂涂布膜。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种膜电极用催化剂浆料和其制备方法以及催化剂涂布膜、膜电极。

背景技术

膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)是燃料电池的核心组件，主要由阳极气体扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层组成，其中由阳极催化剂层、质子交换膜和阴极催化剂层构成的三合一结构为催化剂涂布膜(CCM，Catalyst Coated Membrane)。

目前大多数的CCM都是通过热压转印的方法制备的。热压转印的方法就是先将浆料(含催化剂、树脂和溶剂)涂布在背膜上，再在高温高压下从背膜转印到质子交换膜上。也有少数CCM是通过阴阳极直涂的方法制备的，阴阳极直涂的方法是直接将浆料涂布到质子交换膜上经过加热干燥制备CCM。阴阳极直涂的方法与热压转印的方法相比，由于催化剂层和质子交换膜的界面接触电阻更小，生产步骤也更少，使得膜电极性能更佳，成本更低。但是研发人员发现采用阴阳极直涂的方法制备CCM，催化剂层上容易出现裂纹，影响CCM性能。

发明内容

本发明提供了一种膜电极用催化剂浆料和其制备方法以及催化剂涂布膜、膜电极，采用阴阳极直涂的方法制备CCM，使用该种催化剂浆料可以制备出裂纹少的催化剂涂布膜。

发明人发现，由于催化剂浆料里含有醇和水，而质子交换膜是离聚物，质子交换膜两侧涂布上催化剂浆料后，会吸收催化剂浆料中的醇和水而溶胀，催化剂浆料涂布后需要加热干燥除去溶剂形成催化剂层，在加热干燥除去溶剂的过程中，质子交换膜吸收的醇和水会挥发，质子交换膜收缩，就导致涂布在质子交换膜两侧的催化剂层开裂了。并且在催化剂层的形成过程中有一个临界开裂厚度(critical crack thickness，CCT)的参数，涂层厚度大于CCT，则催化剂层会出现开裂甚至脱落的情况。文献研究表明，采用超声波分散浆料、用醇(乙醇、正丙醇以及乙醇和正丙醇的混合醇当中的一种)和水作为溶剂制备的CCM，CCT的厚度大约在8～10微米左右，这个厚度的阴极催化剂层的Pt载量大约为0.25mg/cm²左右，而为了满足车用燃料电池的性能和寿命要求，膜电极中需要的催化剂Pt载量常常需要高于这个值，如果催化剂Pt载量高于0.25mg/cm²，那么催化剂层的厚度会较高，从而造成催化剂层开裂。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种膜电极用催化剂浆料，其制成成分包括催化剂、全氟磺酸树脂、溶剂和添加剂，所述添加剂为含有至少两个含氮官能团的化合物或者聚合物。

进一步地，所述膜电极用催化剂浆料粘度大于300mpa.s，所述添加剂是水溶性的且其沸点低于催化剂浆料加热干燥的温度。

进一步地，所述添加剂为有机脂肪族伯胺、有机脂肪族仲胺、有机脂肪族叔胺、芳胺和含氮杂环当中至少一种。

进一步地，所述添加剂为丁二胺。

进一步地，添加剂的质量是全氟磺酸树脂质量的0.1％～10％。

进一步地，添加剂的质量是全氟磺酸树脂质量的0.5％～5％。

进一步地，所述催化剂为铂金和碳颗粒催化剂，所述溶剂为水和低沸点醇的混合溶剂。