一种燃料电池催化剂浆液及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体的说涉及催化剂浆液，本发明还涉及该催 化剂浆液的应用。
【背景技术】
[0002] 近几年来，新型清洁能源的开发、现有能源的合理利用与环境保护相互协调发展 已成为本世纪世界经济发展的基础。燃料电池（FuelCells)是一种不经过燃烧过程直接 将化学能转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、低污染、环境友好的突出优点，被 认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，成为各国政府与大公司研究和开发焦点。燃 料电池因电解质种类的不同而分为碱型、磷酸型、固体高分子型、熔融碳酸盐型、固体氧化 物型等。由于固体高分子型燃料电池（PEFC)在低温下工作，具有高输出密度，并能够实现 小型化、轻量化，所以被期待用作便携式电源、家庭用电源、车辆用动力源。经过几十年的发 展，其技术日趋成熟，目前已处于商业化的前夜。但是，PEFC若要实现大规模的使用，必须 实现其关键技术和关键材料方面的突破，以确保其稳定性和可靠性，同时大幅度降低其成 本。膜电极（MembraneElectrodeAssembly,MEA)是PEFC的核心部件，是影响PEFC比功 率密度、能量密度分布及其工作寿命的关键因素。目前MEA的研究表明，其存在的问题主要 集中在：电极催化层和气体扩散层的结构不合理，致使催化剂利用率较低，反应气和液态水 的传递阻力大，高电流密度区浓差极化损失大；电池输出性能有待提高。
[0003] 本发明通过催化剂浆液粘度和固含量的物性优化制备得到性能优异的催化剂浆 液，并将此浆液用于制备燃料电池催化层，制备得到的催化层中催化剂的利用率高，电池反 应过程中高电流密度区域的传质极化降低。
【发明内容】
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以上技术方案来实现：
[0005] -种燃料电池催化剂浆液，包括催化剂、导电聚合物和溶剂；所述催化剂浆液的粘 度为IOO-1000 mPa?s;固含量为5-60wt%，其中催化剂的浓度为4~55wt%。
[0006] 所述催化剂浆液的较优粘度为300-900mPa?S;较优固含量为10-40wt%。
[0007] 所述催化剂浆液的最优粘度为500-800mPa?s;最优固含量为15-25wt%。
[0008] 所述溶剂为有机溶剂、或有机溶剂和水的混合物。
[0009] 所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、乙二醇、丙三醇、N甲基甲酰胺 (DMF)、N，N-2甲基已酰胺（DMAC)、N-甲基吡咯烷酮（NMP)中的一种或两种以上。
[0010] 所述溶剂为有机溶剂和水的混合物时，有机溶剂质量含量为40-90wt%。
[0011] 所述导电聚合物为全氟磺酸树脂、脂肪族类磺酸树脂、芳香族类磺酸树脂中的一 种或两种以上。
[0012] 所述催化剂为Pt黑、PtRu黑、Pt/C、PtRu/C、PtM/C中的一种或两种以上，其中M 为Fe、Co、Ni、Au、Pd、Sn、Pb、Mn中的一种或两种；催化剂还可以为非贵金属类催化剂M/N/ C其中M为Fe、Co、Ni等金属。
[0013] 此浆液制备催化层可采用丝网印刷法、刮涂法、刷涂法、涂布法中的任一一种。
[0014] 此浆液制备催化层时所用的基底材料为聚四氟乙烯（PTFE)膜、聚酯（PET)膜、聚 酰亚胺高温膜、Nafion膜、全氟磺酸类复合膜、碳纸、碳布中的任一一种。
[0015] 该浆液制备的催化层用于制备质子交换膜燃料电池的阳极和/或阴极。
[0016] 该浆液制备的电极用于组装质子交换膜燃料电池。
[0017] 与现有技术相比，本发明提供了一种燃料电池催化层浆液，该催化层浆液的粘度 和固含量可控，浆液稳定性好，可保证批量制备的一致性和可重复性；另外，该催化剂浆液 中催化剂分散均匀、制备的催化层催化剂利用率高、催化层孔径分布有利于气液传质；制备 的MEA组装的单电池在性能和稳定性均有优势。
【附图说明】
[0018] 图1为实施例1中的催化剂浆液与对比例1中的催化剂浆液放置前后对比。对比 例1中单一乙醇做溶剂制备的催化剂浆液放置2小时后，浆液出现沉降。而实施例1中的 催化剂浆液1放置12h也没有沉降，具有较高的稳定性。
[0019] 图2为实施例1中的催化剂浆液与对比例1中的催化剂制备的催化层表面形貌对 t匕。对比例1中单一乙醇作溶剂制备的催化层表面比较粗糙，而实施例1中催化剂浆液制 备的催化层比表面比较均匀，一致性好。
[0020] 图3 :为实施例1中的催化剂浆液与对比例1和对比例2中的催化剂浆液制备阴 极的催化层孔径分布对比。三种阴极催化层均具有明显的微米级孔径分布特点，大部分孔 分布在0. 3~10iim孔径范围内。与对比例1和对比例2相比，实施例1制备的阴极催化 层具有更多的微米级别的孔分布(孔径大于〇. 6ym)，有利于阴极气体传质。
[0021] 图4 :为实施例1中的催化剂浆液与对比例1中的催化剂浆液制备的催化层组装 单电池的性能曲线。图中可以看出实施例1采用混合溶剂制备的粘度较高的催化剂浆液制 备的催化层组装的单电池在较高电流密度下放电具有明显的优势。
[0022] 图5 :为实施例1中的催化剂浆液与对比例1中的催化剂浆液制备的催化层组装 单电池的稳定性曲线。图中可以看出实施例1采用混合溶剂制备的粘度较高的催化剂浆液 制备的催化层组装的单电池在较高电流密度下的稳定性明显优于对比例1制备的单电池 性能。
【具体实施方式】
[0023] 对比例1 :
[0024] 浆液由催化剂60%Pt/C、导电聚合物NafioM溶液和乙醇混合搅拌制备而成。将制 备好的浆液取IOmL于小瓶中静置，观察浆液长时间放置是否沉降。将制备好的浆液采用丝 网印刷法制备于PTFE薄膜表面对印刷于PTFE膜表面的催化层进行扫描电镜分析，观察其 形貌以及均匀性。将印刷于PTFE膜表面的催化层转压于Nafionll5膜表面形成直接甲醇 燃料电池（DMFC)阴极CCM(CatalystCoatedMembrance)，对制备好的阴极CCM进行孔径分 析，获得催化层孔径分布曲线。最后将上述制备好的阴极催化层与阳极催化层以及相应的 扩散层组装MEA以及DMFC单电池，测试其性能和稳定性。
[0025] 对比例2 :
[0026] 浆液由催化剂60%Pt/C、导电聚合物Nafior^:溶液和水混合搅拌制备而成，采用丝 网印刷发将对比例2的催化剂浆液制备于PTFE膜表面，待印刷于PTFE膜表面的催化层干 燥后将其转压于Nafionl15膜表面形成DMFC阴极CCM，对制备好的阴极CCM进行孔径分析， 获得催化层孔径分布曲线。最后将上述制备好的阴极催化层与阳极催化层以及相应的扩散 层组装MEA以及单电池测试其性能和稳定性。
[0027] 实施例1 :
[0028] 浆液1由催化剂60%Pt/C、导电聚合物Nafiof溶液和溶剂水和乙二醇、正丙醇混 合搅拌制备而成，溶剂中有机溶剂乙二醇和正丙醇的质量之和占溶剂总质量的66%。催化剂 浆液的粘度为720mPa?s，固含量为21wt%，催化剂浓度为17wt%。将制备好的浆液取IOmL 于小瓶中静置，观察浆液长时间放置是否沉降。对浆液1采用刷涂法于PTFE膜表面制备了 直接甲醇燃料电池用阴极催化层，对制备的催化层进行扫描电镜分析，观察其形貌以及均 匀性。待印刷于PTFE膜表面的催化层干燥后将其转压于Nafionll5膜表面形成DMFC阴极 CCM，对制备好的阴极CCM进行孔径分析，获得催化层孔径分布曲线。最后将上述制备好的 阴极催化层与阳极催化层以及相应的扩散层组装DMFCMEA以及单电池测试其性能和稳定 性。结果表明浆液稳定性好，可保证批量制备的一致性和可重复性；另外，该催化剂浆液中 催化剂分散均匀、制备的催化层催化剂利用率高、催化层孔径分布有利于气液传质；制备的