[发明专利]一种质子交换膜燃料电池催化剂涂层膜电极浆料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池催化剂涂层膜电极的制备方法，特别涉及催化剂涂层膜电极浆料的制备方法。

背景技术

电极是燃料电池的关键部件，是影响燃料电池性能的重要因素。为了提高燃料电池性能，降低作为燃料电池催化剂的贵金属铂的用量，研究人员研究了各种电极结构。目前常用的是催化剂涂层膜电极(CCM)结构，即将催化层做在质子交换膜上，使催化层与气体扩散层(GDL)分离。由于催化剂涂层膜电极是将催化层与质子交换膜紧密相连，且催化层中不含疏水物质，催化层可做得很薄，较低铂载量就可以具有较高的放电性能。为了制备低铂、高效、性能稳定的电极，研究人员采用各种方法制备分散性好、稳定性高的电极浆料以达到目的。

专利号为CN200910206184.6的专利，公开了一种通过在电极浆料中使用高沸点共溶剂而改进电极结构的方法。该专利的电极浆料中除了电催化剂和电解质之外，还包括溶剂和共溶剂，共溶剂的沸点高于溶剂的沸点。共溶剂选自丙二醇丁基醚、乙二醇、1戊醇、2，3-丁二醇和二丙醇酮组成的混合物。通过加热将所述溶剂从扩散层移除，但使共溶剂的至少一部分以液体形式残留。残留的液体减少了可能在后续电极加工过程中形成的电极破裂的可能性，从而提高电极的性能和寿命。

专利号为WO 2009086364(A1)的专利公开了一种电极浆料的制备方法。浆料的固含量为10～20％，电解质分散液为水溶性的，也可以加入乙醇或多元醇，如甘油或乙二醇。通过调节水、醇和多元醇的比例来调节浆料的流变学特性。一般浆料中含有0～50％的醇和0～20％的多元醇以及0～2％的分散剂。浆料在加热条件下搅拌后稀释成可以连续喷涂的状态。浆料中含有与电解质有亲和性的共溶剂。共溶剂可以降低聚合物电解质的玻璃化温度使其在低温下成膜。合适的共溶剂为烷烃和烯烃，氨、酯类或芳香族化合物，其沸点大于120℃，难溶于水。

中国专利CN200580038417.6提供一种可提高燃料电池用催化剂性能的质子传导聚合物组合物及其制造方法以及采用该质子传导聚合物的组合物制备催化剂浆料的方法。该质子传导性聚合物组合物是至少含有在1～30％wt的芳香族烃类的质子传导性聚合物，且该质子传导性聚合物中以聚乙二醇换算的分子量在2,000～23,000范围内的成份的含量相对于该质子传导性聚合物总量为10％wt以上。由该浆料制备的电极具有良好的放电性能和耐久性。

现有技术的不足是电极浆料的稳定性差，短时间放置就会沉降，两三个小时后浆料就出现分层现象，上层是澄清的溶剂，下层是催化剂与离子交换树脂的混合物。采用这样的电极浆料连续生产电极，会导致催化剂上量不均匀。先生产的电极催化剂上量较低，后生产的电极催化剂上量较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种分散性好、稳定性高的催化剂涂层膜电极的电极浆料制备方法，使之可通过喷涂、刷涂、刮涂、丝网印刷等方式制备电极。

本发明的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池催化剂涂层膜电极浆料，包括催化剂、质子交换树脂、分散剂和助剂，催化剂包括10～80％wt的Pt/C、Pt-Pd/C、Pt-Ru/C、Pt黑或PtPd黑及PtRu黑催化剂中的一种或几种的混合物；质子交换树脂是全氟或部分氟化磺酸树脂或非氟的磺酸树脂中的一种或几种的混合物；分散剂为去离子水、无水乙醇、异丙醇中的一种或几种的混合物；其特征在于所述催化剂涂层膜电极浆料中还包括助剂，所述助剂是增稠剂或稳定剂，增稠剂是乙二醇、丙三醇和聚乙二醇中的一种，稳定剂为Triton X-100。增稠剂的加入量为催化剂、质子交换树脂和分散剂质量总和的0.2％wt-0.5％wt，稳定剂的加入量为催化剂、质子交换树脂和分散剂质量总和的0.2％wt-0.8％wt。