CN107644998A - 用于制造燃料电池的电极的方法以及由此制造的电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造燃料电池的电极的方法以及由此制造的电极。用于制造燃料电池的电极的方法包括：混合步骤，通过混合碳载体、金属催化剂、粘合剂和第一分散溶剂，产生第一混合溶液；干燥步骤，通过干燥第一混合溶液产生第一混合溶液干燥体；热处理步骤，加热第一混合溶液干燥体；第二混合溶液生产步骤，通过在第二分散溶剂中溶解经热处理的第一混合溶液干燥体，产生第二混合溶液；以及离型纸涂覆步骤，通过将第二混合溶液涂覆在离型纸上，并且然后干燥第二混合溶液，而产生电极。

Description

用于制造燃料电池的电极的方法以及由此制造的电极
相关申请的引证
本申请要求于2016年7月21日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0092799号的优先权的权益，其全部公开内容通过引用结合在本文中。
技术领域
本公开涉及一种用于制造燃料电池的电极的方法及由此制造的电极，并且更具体地，涉及通过使粘合剂和金属催化剂在浆料中一起流动而具有改进的浆料分散性和稳定性的相应方法和电极。
背景技术
总体来说，如图1所示，在氢燃料电池汽车中使用的燃料电池的膜电极组件(MEA)由两个电极(正极和负极)1和1'以及插入在电极1和1'之间的电解质膜2组成，并且膜电极组件(MEA)被称为具有三层结构的膜电极组件。
当将气体扩散层('GDL')(未示出)共轭到如上所述的膜电极组件的电极1和1'上时，生产出具有五层结构的膜电极组件。
这里，电极1和1'由生成电子的金属催化剂和承载金属催化剂并使电子移动的载体组成。碳可以用作载体的材料。
在这种情况下，为了制造电极1和1'，通过使用作为载体的碳、生成电子的金属催化剂、以及粘合剂(离子聚合物)，将组分彼此混合，制成用于燃料电池的浆料。
图2示出了现有技术中的燃料电池的浆料，并且现有技术中的燃料电池的浆料处于通过混合使承载在碳载体上的金属催化剂3由粘合剂4包围的状态。
然而，如图2所示，出现其中金属催化剂3周围不存在粘合剂4的区域V，导致抵抗金属催化剂3的电子转移的阻力增加，并且因此，可能存在的问题在于电极的效率降低。
由于包含在如上所述制备的浆料中的粘合剂4流动，浆料的粘度发生变化，并且存在浆料的粘度变化可能充当可以降低浆料的分散性和稳定性的因素的担忧。
发明内容
本公开已致力于提供一种用于制造燃料电池的电极的方法，其可以通过去除在浆料的金属催化剂周围中不存在粘合剂的区域并且减小粘合剂的流动性来提高用于燃料电池的浆料的分散性和稳定性，以及由此制造的电极的配置。
本公开的示例性实施方式公开了用于制造燃料电池的电极的方法，该方法包括：混合步骤，通过混合碳载体、金属催化剂、粘合剂和第一分散溶剂产生第一混合溶液；干燥步骤，通过干燥第一混合溶液产生第一混合溶液干燥体；热处理步骤，向第一混合溶液干燥体加热；第二混合溶液生产步骤，通过在第二分散溶剂中溶解经热处理的第一混合溶液干燥体，产生第二混合溶液；以及离型纸涂覆步骤，通过将第二混合溶液涂覆在离型纸上，并然后干燥第二混合溶液而产生电极。
用于制造根据本公开的具有上述配置的燃料电池的电极的方法以及由此制造的电极，通过在制备用于燃料电池的浆料时应用混合并干燥粘合剂和金属催化剂的工艺以创建粘合剂固定在金属催化剂周围并减小抵抗金属催化剂的电子转移的阻力的状态，来呈现提高电极的效率的效果。
本公开描述了通过使粘合剂和金属催化剂在浆料中一起流动而提高浆料的分散性和稳定性的效果。
附图说明
图1是根据现有技术的用于燃料电池的总体膜电极组件的配置视图。
图2是示出根据现有技术的用于燃料电池的浆料的视图。
图3是示出了根据本公开的示例性实施方式的用于燃料电池的浆料的视图。
图4和图5是示出了根据本公开的示例性实施方式的用于燃料电池的电极的性能的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述根据本公开的用于制造燃料电池的电极的方法以及由此制造的电极的配置。
然而，所公开的附图仅仅被提供为使本公开的精神能够充分转移到本领域技术人员和/或由本领域技术人员实践的实例。因此，本公开不限于下面提出的附图，并且还可以体现为其他示例性实施方式。
除非另有定义，否则本公开的说明书中使用的术语具有本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义，并且将从以下描述和附图中省去可能不必要地模糊本公开的原理的公知功能和配置的详细说明。
本公开公开了一种用于制造燃料电池的电极的方法，在一些实施方式中，方法包括：混合步骤，通过混合碳载体、金属催化剂、粘合剂和第一分散溶剂，产生第一混合溶液；干燥步骤，通过干燥第一混合溶液产生第一混合溶液干燥体；热处理步骤，向第一混合溶液干燥体加热；第二混合溶液生产步骤，通过在第二分散溶剂中溶解经热处理的第一混合溶液干燥体，产生第二混合溶液；以及离型纸涂覆步骤，通过将第二混合溶液涂覆在离型纸上，并然后干燥第二混合溶液以及由此制造的电极，来产生电极。
根据本公开的用于制造燃料电池的电极的方法以及由此制造的电极，通过在制备用于燃料电池的浆料时应用混合并干燥粘合剂和金属催化剂的工艺，来降低抵抗金属催化剂的电子转移的阻力并且生成粘合剂固定在金属催化剂周围的状态。
通过使粘合剂和金属催化剂在浆料中一起流动，可以改进浆料的分散性和稳定性。
第一，为了制造根据本公开的用于燃料电池的电极，在一些示例性实施方式中，将随后进行以下步骤。
1)混合步骤
混合步骤是通过使作为载体的碳载体、承载在碳载体上的金属催化剂、粘合剂、以及第一分散溶剂彼此混合而产生第一混合溶液的步骤。
碳载体是选自由碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)、碳粉末、碳黑、乙炔黑、科琴黑、活性炭、碳纳米线、碳纳米角、碳气凝胶、碳干凝胶、以及碳纳米环组成的组中的至少一种材料，和/或由选自该组的至少两种材料的混合物组成的材料。
金属催化剂是由选自铂、铱、钯和钌组成的组中的任一种或多种金属组成的催化剂，或由选自该组的任一种金属的氧化物组成的催化剂，或由选自该组的至少两种金属的合金组成的催化剂。
第一分散溶剂可以由蒸馏水、乙醇、异丙醇(IPA)、丙醇、乙氧基乙醇、丁醇、乙二醇、以及戊醇中的任一种组成，和/或由两种或更多种组分的分散溶剂的组合组成。
2)干燥步骤
通过使用喷雾干燥器，在氮气气氛下，以5至30mL/min的速率喷雾干燥在混合步骤中产生的第一混合溶液，来产生粉末相的第一混合溶液干燥体。所产生的第一混合溶液干燥体处于粘合剂良好地固定至金属催化剂的状态。
作为干燥步骤的另一方法或者实施方式，可以在烘箱中干燥第一混合溶液。
3)热处理步骤
通过向第一混合溶液干燥体加热来增强粘合剂的粘结强度。
4)第二混合溶液生产步骤
通过在第二分散溶剂中溶解经热处理的第一混合溶液干燥体，产生第二混合溶液。
第二分散溶剂可以由乙醇、IPA、丙醇、乙氧基乙醇、丁醇、乙二醇、蒸馏水、以及戊醇中的任一种组成，和/或由两种或更多种组分的分散溶剂的组合组成。
5)离型纸涂覆步骤
通过使用诸如棒涂机和缝隙压模涂布机的装置将第二混合溶液涂覆在离型纸上，并且然后最终干燥第二混合溶液，而产生根据本公开的示例性实施方式的用于燃料电池的电极。
作为离型纸的材料，可以使用聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)、和/或其中两种或更多种聚合物堆叠的膜。
因此，在由如上所述的步骤制造的根据本公开的示例性实施方式的用于燃料电池的电极中，通过使用喷雾干燥器喷雾干燥作为在混合步骤中制备的用于燃料电池的浆料的第一混合溶液，并然后在干燥步骤和热处理步骤中对其进行热处理，并且因此，如在图3中的根据本公开的用于燃料电池的浆料中示出的，粘合剂4固定在金属催化剂3周围，使得如图2所示的现有技术中的粘合剂不存在的区域V被去除，并且降低抵抗金属催化剂3的电子转移的阻力。因此，提高电极的效率。
通过使粘合剂和催化剂在溶剂中一起流动，可以改进浆料的分散性和稳定性。
通过调整要混合的粘合剂的量，可以在第一混合溶液的生产期间，引入在第一混合溶液的生产期间使用的粘合剂的总量中的部分等分试样，并且可以在第二混合溶液生产步骤中引入其他等分试样。
当在第一混合溶液的生产期间和在第二混合溶液的生产期间以分开的量引入要引入的粘合剂的等分试样时，要引入的粘合剂的总量最终与等分试样未分开的情况(仅在第一混合溶液的生产期间引入粘合剂的情况)的量相同，但是可以在保持电极效率的同时获得可以进一步改进隔膜与MEA中的电极之间的界面粘结强度的优点。
在根据本公开的示例性实施方式的用于制造燃料电池的电极的方法中，在产生第一混合溶液的混合步骤或产生第二混合溶液的步骤中，可以添加自由基清除剂。
在这种情况下，自由基清除剂可以是平均直径为1nm至20nm的纳米粒子，并且由选自氧化铈、氧化锆、氧化锰、氧化铝、以及氧化钒组成的组中的任一种氧化物组成，和/或由选自该组的至少两种氧化物的混合物组成。
同时，与粘合剂类似，通过调整要混合的自由基清除剂的量，可以在第一混合溶液的生产期间引入自由基清除剂的总量中的部分等分试样，并且可以在第二混合溶液生产步骤中引入其他等分试样。
图4和图5是示出了根据本公开的示例性实施方式的用于燃料电池的电极的性能的曲线图。如图4所示，在电流密度为1，000mA/cm2至1，400mA/cm2的高电流密度部分，根据本公开的示例性实施方式的用于燃料电池的电极具有0.59V至0.66V的电池电压，在现有技术中用于燃料电池的电极的电池电压中是处于大于0.55V至0.64V的水平，这表明电极的电子转移得到改进。
如图5所示，在电池温度为22℃并且加湿器温度为30℃的低温状态下，在40分钟至60分钟的时间段，根据本公开的示例性实施方式的燃料电池的电极的电池电压为0.58V至0.62V，在现有技术的燃料电池的电极的电池电压中是处于大于0.55V至0.58V的水平，这表明即使在低温状态下，电极的电子转移也得到改进。
此外，本公开的另一示例性实施方式公开了用于制造燃料电池的电极的方法，该方法包括：混合步骤，通过混合金属催化剂、粘合剂和第一分散溶剂产生第一混合溶液；干燥步骤，通过干燥第一混合溶液产生第一混合溶液干燥体；热处理步骤，加热第一混合溶液干燥体；第二混合溶液生产步骤，通过在第二分散溶剂中溶解经热处理的第一混合溶液干燥体，产生第二混合溶液；以及离型纸涂覆步骤，通过将第二混合溶液涂覆在离型纸上并且然后干燥第二混合溶液，而产生电极。
虽然已经参考示例性实施方式描述了本公开，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在不偏离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变和修改。
因此，本公开的示例性实施方式不是限制性的，而是示例性的，并且本公开的精神和范围不限于此。本公开的精神和范围应由所附权利要求进行解释，并且应当理解，与本公开等同的所有技术思想都包括在本公开的精神和范围内。

Claims (13)

1.一种用于制造燃料电池的电极的方法，所述方法包括：
混合步骤，通过混合碳载体、金属催化剂、粘合剂、以及第一分散溶剂产生第一混合溶液；
干燥步骤，通过干燥所述第一混合溶液产生第一混合溶液干燥体；
热处理步骤，加热所述第一混合溶液干燥体；
第二混合溶液生产步骤，通过在第二分散溶剂中溶解经热处理的第一混合溶液干燥体，产生第二混合溶液；以及
离型纸涂覆步骤，通过将所述第二混合溶液涂覆在离型纸上，并且然后干燥所述第二混合溶液，而产生电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合步骤中的所述第一分散溶剂包括蒸馏水、乙醇、异丙醇、丙醇、乙氧基乙醇、丁醇、乙二醇、以及及戊醇中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述干燥步骤中，利用喷雾干燥器喷雾干燥所述第一混合溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述干燥步骤中，利用烘箱干燥所述第一混合溶液。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二混合溶液生产步骤中的所述第二分散溶剂包括乙醇、异丙醇、丙醇、乙氧基乙醇、丁醇、甘醇、蒸馏水、以及戊醇中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一混合溶液的生产期间，引入在所述第一混合溶液的生产期间使用的所述粘合剂的总量中的部分等分试样，并且在所述第二混合溶液生产步骤中引入另一等分试样。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在产生所述第一混合溶液的混合步骤或产生所述第二混合溶液的步骤中，将自由基清除剂添加到所述第一混合溶液和所述第二混合溶液中的一个或多个内。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在产生所述第一混合溶液的混合步骤和产生所述第二混合溶液的步骤中引入自由基清除剂，在所述第一混合溶液的生产期间引入所述自由基清除剂的总量中的部分等分试样，并且在所述第二混合溶液生产步骤中引入另一等分试样。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述自由基清除剂是平均直径为1nm至20nm的纳米颗粒，并且包括选自由氧化铈、氧化锆、氧化锰、氧化铝和氧化钒组成的组中的任一种或多种氧化物。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳载体是选自由碳纳米管、碳纳米纤维、碳粉末、碳黑、乙炔黑、科琴黑、活性炭、碳纳米线、碳纳米角、碳气凝胶、碳干凝胶和碳纳米环组成的组中的任一种或多种材料。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属催化剂是
包括选自由铂、铱、钯和钌组成的组中的任一种或多种金属的催化剂，或
包括选自所述组中的任一种或多种金属的氧化物的催化剂，或
包括选自所述组中的至少两种金属的合金的催化剂。
12.一种燃料电池的电极，所述电极包括处于金属催化剂被粘合剂包围的状态下的所述燃料电池的浆料，
其中，所述燃料电池的所述浆料通过混合并干燥所述粘合剂和所述金属催化剂，来维持所述粘合剂固定在所述金属催化剂周围的状态。
13.一种用于制造燃料电池的电极的方法，所述方法包括：
混合步骤，通过混合金属催化剂、粘合剂和第一分散溶剂产生第一混合溶液；
干燥步骤，通过干燥所述第一混合溶液产生第一混合溶液干燥体；
热处理步骤，加热所述第一混合溶液干燥体；
第二混合溶液生产步骤，通过在第二分散溶剂中溶解经热处理的第一混合溶液干燥体，产生第二混合溶液；以及
离型纸涂覆步骤，通过将所述第二混合溶液涂覆在离型纸上，并且然后干燥所述第二混合溶液，而产生电极。
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