專(zhuān)利名稱(chēng)：：用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種催化劑及其制備方法，尤其涉及一種用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：燃料電池膜電極上的催化劑涂層，是通過(guò)將固體顆粒催化劑分散到溶劑中制作成催化劑漿料，再將漿料涂布到質(zhì)子交換膜上，然后烘干成膜制作而成的。催化劑漿料性能的好壞，直接影響到所制作出的膜電極的性能，并且最終影響到燃料電池的發(fā)電性能。歐洲專(zhuān)利EP0955687A2中給出了一種催化劑漿料，主要是將美國(guó)Dupont公司生產(chǎn)的Nafion醇水溶液加入MOH，將H+形式Nafion溶液變成M+型，然*后采用高沸點(diǎn)極性溶劑將Dupont公司生產(chǎn)的Nafion醇水溶液蒸發(fā)置換，然后加入催化劑，攪拌形成漿料，涂在擴(kuò)散層上干燥形成催化劑層，然后放入酸中將Nafion的M+轉(zhuǎn)換成H+?？梢钥闯?，電極制作過(guò)程非常復(fù)雜。在PCT/US2003/033133中給出了一種催化劑漿料，漿料中第一溶劑為水，第二溶劑為極性質(zhì)子惰性溶劑如NMP、N,N—二甲基甲酰胺、N,N—二甲基乙酰胺、DMSO、乙腈等高沸點(diǎn)溶劑。這種漿料可保證電極在80'C—14(TC干燥時(shí)不會(huì)燃燒。一般而言，制備催化劑漿料的溶劑包括水和有機(jī)溶劑如醇、醚、酯、酮和高沸點(diǎn)NMP，N，N—二甲基甲酰胺，N，N—二甲基乙酰胺、DMSO、乙腈等。對(duì)于制作催化劑漿料的固體高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體如Dupont公司生產(chǎn)的Nafion，一般是溶解在水和醇的溶液中的。如果單獨(dú)對(duì)該溶液加入催化劑進(jìn)行攪拌、混合，制出的催化劑漿料內(nèi)催化劑和Nafion不能有效的分散和結(jié)合，影響其直接涂在膜上制備CCM燃料電池構(gòu)件，因而影響電池的電極性能。采用將Nafion/水和醇的溶液進(jìn)行溶劑置換的方法耗時(shí)、耗能，非常麻煩。而且大部分溶劑是有機(jī)溶劑，毒性比較大，操作環(huán)境要求比較高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的，就是為了解決上述問(wèn)題而提供一種用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料及其制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料，包含固體催化劑顆粒l—40%wt、高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體1—40%wt、水0.1—50。/。wt和醇l—50%wt，其特點(diǎn)是，還包括有機(jī)酸1—90%wt。所述的固體催化劑顆粒為含鉑的固體催化劑顆粒。所述的高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體選自全氟磺酸樹(shù)脂、磺化三氟苯乙烯樹(shù)脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷樹(shù)脂、磺化聚醚醚酮樹(shù)脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物樹(shù)脂和磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯樹(shù)脂。所述的有機(jī)酸選自含-COOH基或含有-S03H基的有機(jī)酸中的一種或幾種。所述的含-COOH基的有機(jī)酸包括甲酸、乙酸、丙烯酸、丁二酸、草酸、蘋(píng)果酸和EDTA。所述的醇選自甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、甘油中的一種或幾種?！N催化劑漿料的制備方法，以固體催化劑顆粒l—40%wt、高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體1—40%wt、有機(jī)酸l一90%wt、水0,1—50。/。wt和醇1—50。/。wt為基本原料，采用以下步驟制備a、制作高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液將高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體1—40y。wt、水0.1—50n/owt和醇1—50。/。wt混合，在放入高壓釜中，密封，加熱，并不斷攪拌3小時(shí)，冷卻后即得高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液；b、制作催化劑漿料將固體催化劑顆粒l一40ynwt、有機(jī)酸l一90Wwt和步驟a所得高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液混合在一起用超聲波震蕩，并不斷攪拌，制成催化劑漿料。步驟a中所述的高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液也可以釆用市售的商品。所述的固體催化劑顆粒為含鉑的固體催化劑顆粒；所述的高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體選自全氟磺酸樹(shù)脂、磺化三氟苯乙烯樹(shù)脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷樹(shù)脂、磺化聚醚醚酮樹(shù)脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物樹(shù)脂和磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯樹(shù)脂；所述的有機(jī)酸選自含-COOH基或含有-S03H基的有機(jī)酸中的一種或幾種；所述的醇選自甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇，甘油中的一種或幾種。所述的含-COOH基的有機(jī)酸包括甲酸、乙酸、丙烯酸、丁二酸、草酸、蘋(píng)果酸和EDTA。本發(fā)明提供了一種燃料電池催化劑漿料的有效配方，不僅制備操作容易，簡(jiǎn)單，省時(shí)省力，環(huán)境污染比較小，而且制備出的電極性能較好。具體實(shí)施方式實(shí)施例1取O.lgE-TEK公司生產(chǎn)的HP40%Pt/C催化劑，加入2g乙酸，超聲震蕩5min，加入Dupont公司生產(chǎn)的NafionDE520分散液(其中分散液中全氟磺酸樹(shù)脂的濃度為5.4%,溶劑中含有水45-48%，1-丙醇45-48%，乙二醇小于4%，混合醚類(lèi)物質(zhì)小于1%)0.8g，超聲震蕩5min,并不斷攪拌。即得到本發(fā)明的一種催化劑漿料。實(shí)施例2取全氟磺酸樹(shù)脂lg、水4g和乙醇5g混合，放入高壓釜，密封，加熱到250攝氏度，并不斷攪拌3小時(shí)，冷卻后即得高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液；取0.1gE-TEK公司生產(chǎn)的HP40。/。Pt/C，加入lg草酸，超聲震蕩5min，加入上述分散液的0.5g，超聲震蕩5min，并不斷攪拌。即得到本發(fā)明的一種催化劑漿料。實(shí)施例3取磺化三氟苯乙烯樹(shù)脂lg、水3g和l-丙醇6g混合，放入高壓釜，密封，加熱，并不斷攪拌3小時(shí)，冷卻后即得高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液；取0.1gE-TEK公司生產(chǎn)的HP40。/。Pt/C，加入3g草酸，超聲震蕩5min，加入上述分散液的0.6g，超聲震蕩5min，并不斷攪拌。即得到本發(fā)明的一種催化劑漿料。實(shí)施例4取聚甲基苯基磺酸硅氧垸樹(shù)脂1.5g、水5g和乙二醇8.5g混合，裝釜，加熱，冷卻，制作成高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液；取0.1gE-TEK公司生產(chǎn)的HP40G/。Pt/C，加入4g丁二酸，超聲震蕩5min，加入上述分散液的0.8g，超聲震蕩5min，并不斷攪拌。即得到本發(fā)明的一種催化劑漿料。對(duì)比試驗(yàn)取0.1gE-TEK40%Pt/C，加入2g水，超聲震蕩5min，加入Dupont公司生產(chǎn)的NafionDE520分散液的0.8g，超聲震蕩5min，并不斷攪拌，把該槳料放如烘箱中，在60'C溫度下蒸發(fā)漿料中的可揮發(fā)性醇溶劑，并不斷攪拌，過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)充水，使催化劑漿料的重量維持2.9g，6小時(shí)后，用水將漿料中的大部分可揮發(fā)性溶劑揮發(fā)完畢，即得到現(xiàn)有技術(shù)所釆用的一種水性催化劑漿料。將實(shí)施例1所得催化劑漿料編為1號(hào)，將對(duì)比試驗(yàn)所得催化劑漿料編為2號(hào)，分別用于制備電極，具體操作如下取DUPONT公司生產(chǎn)的Nafion211，裁下70*70mm的兩片膜，取其中一片膜，將上述1號(hào)催化劑漿料分多次刷到膜的兩面，刷的過(guò)程中，用130-150'C熱空氣將催化劑漿料中溶劑迅速揮發(fā)烘干。取其中另一片膜，將上述2號(hào)催化劑漿料分多次刷到膜的兩面，刷的過(guò)程中，用130-15(TC熱空氣將催化劑槳料中溶劑迅速揮發(fā)烘干。將1號(hào)催化劑漿料所制得的CCM電極(編號(hào)為1#)和2號(hào)催化劑漿料所制得的CCM電極(編號(hào)為2#)夾在兩塊50*50mm的SGL公司生產(chǎn)的SGL30BC之間，其中帶碳粉的黑色面面向CCM膜電極。將上述電極放在燃料電池電極夾具中進(jìn)行測(cè)試，其中測(cè)試條件如下電池運(yùn)行溫度為60。C;H2:80RH%，計(jì)量比l.l;空氣50RH%，計(jì)量比3.5;氫氣和空氣的出口壓力為常壓。測(cè)試結(jié)果如表l所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從表1的測(cè)試結(jié)果可以看出采用本發(fā)明的催化劑漿料所制得的1#電極的發(fā)電性能明顯高于對(duì)比試驗(yàn)催化劑漿料所制得的2#電極，而且本發(fā)明所提供的催化劑漿料配方操作非常方便，省時(shí)省力，耗能少。權(quán)利要求1、一種用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料，包含固體催化劑顆粒1-40％wt、高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體1-40％wt、水0.1-50％wt和醇1-50％wt，其特征在于還包括有機(jī)酸1-90％wt。2、如權(quán)利要求1所述的用于制作燃料電池膜電極的催化劑衆(zhòng)料，其特征在于所述的固體催化劑顆粒為含鉑的固體催化劑顆粒。3、如權(quán)利要求1所述的用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料，其特征在于所述的高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體選自全氟磺酸樹(shù)脂、磺化三氟苯乙烯樹(shù)脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷樹(shù)脂、磺化聚醚醚酮樹(shù)脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物樹(shù)脂和磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯樹(shù)脂。4、如權(quán)利要求1所述的用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料，其特征在于所述的有機(jī)酸選自含-COOH基或含有-S03H基的有機(jī)酸中的一種或幾種。5、如權(quán)利要求4所述的用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料，其特征在于所述的含-COOH基的有機(jī)酸包括甲酸、乙酸、丙烯酸、丁二酸、草酸、蘋(píng)果酸和EDTA。6、如權(quán)利要求所述的用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料，其特征在于所述的醇選自甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、甘油中的一種或幾種。7、一種催化劑漿料的制備方法，其特征在于以固體催化劑顆粒l一40%wt、高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體l—40%wt、有機(jī)酸1—90%wt、水0.1—50%wt和醇l一50n/。Wt為基本原料，采用以下步驟制備a、制作高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液將高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體1—40。/。wt、水0.1—50。/。wt和醇1—50。/。wt混合，在放入高壓釜中，密封，加熱，并不斷攪拌3小時(shí)，冷卻后即得高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液；b、制作催化劑漿料將固體催化劑顆粒l一40。/。wt、有機(jī)酸l一90y。wt和步驟a所得高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液混合在一起用超聲波震蕩，并不斷攪拌，制成催化劑漿料。8、如權(quán)利要求7所述的催化劑漿料的制備方法，其特征在于步驟a中所述的高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液也可以采用市售的商品。9、如權(quán)利要求7所述的催化劑槳料的制備方法，其特征在于所述的固體催化劑顆粒為含鉑的固體催化劑顆粒；所述的高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體選自全氟磺酸樹(shù)脂、磺化三氟苯乙烯樹(shù)脂、聚甲基苯基磺酸硅氧垸樹(shù)脂、磺化聚醚醚酮樹(shù)脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物樹(shù)脂和磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯樹(shù)脂；所述的有機(jī)酸選自含-COOH基或含有-S03H基的有機(jī)酸中的一種或幾種；所述的醇選自甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇，甘油中的一種或幾種。10、如權(quán)利要求9所述的用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料，其特征在于所述的含-COOH基的有機(jī)酸包括甲酸、乙酸、丙烯酸、丁二酸、草酸、蘋(píng)果酸和EDTA。全文摘要一種用于制作燃料電池膜電極的催化劑漿料，它包含固體催化劑顆粒1-40％wt、高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體1-40％wt、水0.1-50％wt和醇1-50％wt和有機(jī)酸1-90％wt。一種催化劑漿料的制備方法，包括制作高分子聚合物質(zhì)子導(dǎo)體的分散液和制作催化劑漿料等步驟。采用本發(fā)明的催化劑漿料所制得的電極的性能明顯好于現(xiàn)有技術(shù)催化劑漿料所制得的電極的性能，而且本發(fā)明的催化劑漿料制備非常方便，省時(shí)省力，耗能少。文檔編號(hào)H01M4/88GK101098007SQ20061002820公開(kāi)日2008年1月2日申請(qǐng)日期2006年6月27日優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日發(fā)明者田丙倫申請(qǐng)人:上海攀業(yè)氫能源科技有限公司