[发明专利]一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法

说明书

本发明提供一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法，涉及电解水制氢技术领域；一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，包括8～24wt％阴极催化剂、干重0.5～5.5wt％离子聚合物溶液、7～70wt％超纯水以及5～68wt％液态小分子醇；所述阴极催化剂包括20～60wt％含铂材料及余量的碳材料；所述阴极催化剂浆料的固含量为10～25％，所述水与液态小分子醇的质量比为0.25～4，所述离子聚合物与碳材料的质量比为0.1～0.5；通过对离子聚合物与碳的比例、醇水比、固含量以及分散方法同时进行了改进，浆料中催化剂分散均匀，不易团聚，黏度适中，易于涂布，且涂布之后形成的催化层干燥后不易脱落，制备成催化剂涂覆膜之后具有较高的电解水性能。

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，更具体地，涉及一种用于质子交换膜电解水装置的阴 极催化剂浆料及其制备方法。

背景技术

为了防止全球变暖加快，减少二氧化碳排放，世界各国都在积极推进可再生 清洁能源的发展。但可再生清洁能源往往难以直接使用，因此需要一个中间载体。 氢能以清洁、高效、无污染、应用广泛，二氧化碳零排放以及可以进行存储和运 输的特点被视为最佳能源载体。

将可再生清洁能源转化为氢能最具实用性、最清洁的方法便是电解水。目前，电解水装 置主要分为三种，包括碱性电解水装置，质子交换膜电解水装置以及固体氧化物电解水装置。 其中，质子膜电解水装置比碱性电解水装置更高效，产生的氢气纯度更高，技术上又比固体 氧化物电解水装置更成熟，是目前世界各国电解水制氢装置的开发重点。

而在质子交换膜电解水装置中，膜电极组件是电解水装置的核心部件，主要由位于最中 间的质子膜，位于质子膜两侧与质子膜紧密接触的阴、阳催化层以及位于催化层外侧的气体 扩散层组成。

位于质子交换膜一侧的催化层是阳极催化剂，另一侧的为阴极催化剂。在电解水装置工 作时，水在阳极催化剂的催化下产生并释放氧气，在阴极催化剂的催化下产生并释放氢气。 催化层性能的高低决定了电解水装置的性能优劣，而催化层的性能又取决于催化剂浆料的配 方和制备方法。

对于电解水装置的阴极催化层，目前使用最广泛的活性材料是碳材料负载的铂纳米颗粒 催化剂。而将催化剂浆料涂覆在质子膜上的方法则包括刷涂、喷涂、丝网印刷、刮涂、热压 转印等。

目前而言，比较适合大规模制备膜电极的方法主要是热压转印。对于热压转印法，催化 剂浆料配方的合理设计十分必要，一方面要保证催化剂浆料在转印膜上具有良好的涂布性， 还要在催化剂浆料的干燥过程中避免催化层产生明显的裂缝和防止脱落。最后还要确保催化 层在转印之后具有较高的催化活性。具体而言，就是要合理设计催化剂中离子聚合物与碳载 体的质量比(I/C ratio)，催化剂浆料的固含量以及催化剂分散溶剂中醇与水的比例。

离子聚合物与碳载体的质量比、催化剂浆料中的固含量，溶剂中的醇水比以及浆料的配 置方法对催化剂颗粒的分散性、浆料的黏度以及干燥过后催化层的形貌等特性有显著影响。 而催化剂颗粒的分散性、浆料的黏度以及催化层的形貌又最终会影响电解水装置的性能。只 有合理的设计催化剂浆料中的I/C比、固含量和醇水比才有利于制备出方便涂布、涂层均匀、 结构合理、性能良好的催化层。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种用于质子交换膜电解水 装置的阴极催化剂浆料。

本发明的另一目的在于提供一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方 法。

本发明采取的技术方案是，一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，包括 8～24wt％阴极催化剂、干重0.5～5.5wt％离子聚合物溶液、7～70wt％超纯水以及5～68wt％液态 小分子醇；所述阴极催化剂包括20～60wt％含铂材料及余量的碳材料；所述阴极催化剂浆料 的固含量为10～25％，所述水与液态小分子醇的质量比为0.25～4，所述离子聚合物与碳材料 的质量比为0.1～0.5。