[发明专利]提升触媒利用率的组合物、复合体与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提升燃料电池触媒利用率的组合物与方法，特别是一种通过添加一耦合剂以键结触媒与高分子而形成一复合体，并利用触媒浆料的原有的必然成分高分子氟化物形成稳定分散，以提升燃料电池触媒利用率的组合物与方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)由于具备高转化效率、无污染以及补充燃料快速等特点，是未来解决能源问题及环境污染最可行的方法的一。直接加入甲醇做为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)，在携带式电子产品的应用上具发展潜力。

目前燃料电池技术的发展中，只有贵重金属Pt为最适合的触媒，然而，Pt是所有材料中唯一无法经由人工合成制造的，因此，预计Pt将是影响量产的关键成本。控制触媒浆料的分散，以提升触媒的有效被利用率，是燃料电池在未来市场上能否具有竞争力的关键所在。

燃料电池至今仍无法全面商业化的原因，在于其实用性以及成本上的问题，其中触媒使用效率不彰是最主要的因素之一。目前全世界在燃料电池制造技术的开发上，均无法有效提升触媒利用率，随着Nafion专利到期在即，以及其它薄膜推陈出新将使薄膜价格降低，预期未来商业化的主要考量将在于如何提升触媒利用率以减少使用量。

燃料电池中的燃料与氧化剂的电化学反应速率甚低，因此需要阳极触媒与阴极触媒催化加速反应。以高分子电解质燃料电池为例，基本电极模块有五层结构，中心为传导氢离子的高分子膜，两旁各为阳极触媒层以及阴极触媒层，最外层为燃料气体扩散层以及氧气扩散层。触媒层的构造较为复杂，主要电化学变化皆在此产生，根据图1直接甲醇燃料电池反应示意图所示，触媒除了要具有催化活性表面外；反应物、生成物、电子及质子的输送通道还需畅通，才能成为有效被利用的触媒，顺利将化学能顺利转变为电能；若触媒的设计与制造不良，质子通道无法畅通，则燃料电池即无法产生高电流，效率也会降低。触媒层夹在高分子膜与气体扩散层之间，其制造方法是先将适量触媒与高分子膜的溶液均匀混合，此混合亦称之为触媒浆料，浆料可涂于气体扩散层或高分子膜上。

公知触媒浆料的组成主要有：触媒(PtRu、Pt)、高分子氟化物(例如perfluorosulfonate ionomer，PFSI，或Nafion^)、以及溶剂。一般而言，PFSI 在触媒浆料中扮演质子传导基以及黏着剂的角色；然而，触媒浆料的固含量高达20～40％，且触媒比重较大因此容易发生粒子碰撞而凝集，加上PFSI与触媒之间的极性差异大，易各自聚集产生沉降现象，进而导致质子通道阻塞，触媒有效被利用率大幅下降。要提升触媒浆料使用效率，需从根本的控制浆料分散性来着手，使得PFSI在触媒浆料中除了扮演质子传导基以及黏着剂的角色外，更进一步作为浆料的分散剂，因此，一方面需考虑PFSI于溶剂中的溶解特性，另一方面亦需考虑触媒与PFSI间的作用关系。但由于PtRu触媒的表面电位为负值，而PFSI解离后也带负电，因此触媒与PFSI间由于电荷排斥使得吸附性大大降低。

为改善上述触媒与高分子之间各自聚集的现象以达成均匀分散的目标，一方面需避免触媒彼此聚集造成表面积减少，应使触媒尽量分散使触媒裸露的活性表面积增多；另一方面需使高分子尽量覆盖在触媒表面使得质子传导路径能够畅通，才能进一步提升触媒有效被利用率。过去关于调配触媒浆料时的研究仅考虑在设备外加分散能量、调整溶剂种类与黏度、调整高分子与溶剂间的溶解性或是使用界面活性剂，但并未考虑到高分子与触媒粒子间的吸附性所面临的问题包括：(1)触媒粒子容易因聚集且排开高分子；(2)涂布/干燥过程发生相分离及龟裂；由于解决高分子与触媒的吸附性才是解决问题的根本，因此从高分子与触媒分子之间的作用力，以解决触媒利用率低落的问题成为一值得研究的课题。

发明内容

本发明的目的在于通过导入一耦合剂于触媒浆料中，使耦合剂-触媒-高分子间形成一复合体，通过提升触媒与高分子之间的分散性与吸附性，改善传统触媒浆料中高分子与触媒各自聚集的缺点，进而达成本发明提升触媒利用率的目的。

本发明的另一目的是提供一种提升燃料电池触媒利用率的组合物，主要是加入一耦合剂于传统触媒浆料中，利用耦合剂与浆料中触媒及高分子形成一复合体，稳定分散于触媒浆料中，可提升触媒的利用率。

本发明的又一目的是提供一种提升燃料电池触媒利用率的方法，可使触媒浆料中的触媒与高分子之间的分散性与吸附性提升，以利后续电极模块的制造。