[发明专利]一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，具体地，涉及一种用于燃料电池催化层的制备方法。 

背景技术

膜电极（MEA）是燃料电池的关键组件，是决定电池性能的关键因素。膜电极上的催化剂涂层，是由催化剂分散到溶液中形成催化剂浆料，再通过各种方法涂敷到膜或碳纸上形成的。 

在氢氧质子交换膜燃料电池中，为了保证电极耐久性，阴极催化剂通常采用纯Pt金属催化剂。不同于碳载铂催化剂密度低，易分散，Pt黑由于金属密度大，配置浆料时容易出现沉降、分层。这些因素都会导致催化剂浆料的不稳定，不利于催化层的制备，同时电极性能也不理想。 

目前Pt/C催化剂多采用喷涂的方式。喷涂浆料为了达到雾化的效果，一般要求黏度低，分散均匀；由于Pt黑难以配制成均匀的浆料，喷涂会出现难雾化，无法制成均匀的涂层。目前Pt黑涂敷采用手涂等传统工艺，均一性差，电极性能不佳。 

根据Stocks定律： （其中，表示沉降速率，D表示颗粒粒径，_s表示流体密度，表示颗粒密度，表示浆料黏度，g表示重力加速度）可知，在催化剂密度不变的情况下，提高浆料黏度，可以使得催化剂沉降速率降低，也就是提高了浆料的稳定性。 

对于黏度高的浆料，并不适应于喷涂。而丝网印刷是一种包装印刷界常用的一种印刷方法。要求印刷墨水黏度较高。墨层厚度易控，精度较高。 

丝网印刷的基本原理是图文部分网孔能够透过油墨，漏至承印物上，印版上其余部分堵死，不能透过油墨，在承印物上形成空白。 

商业化的丝网印刷黏度一般为3000cp左右。因此，为了实现催化剂的丝网印刷，关键是设计一种浆料能够有效分散Pt黑的同时，黏度能够提高到与商业化印刷浆料相当，使得浆料能够顺利通过网板，在碳纸基底上形成均匀的涂敷层。 

中国专利CN101350409B中，采用丝网印刷方法，将Pt/C（Pt-Ru/C或Pt-Cr/C）催化剂印刷到碳纸上，制得了膜电极。其中，催化剂浆料固含量为5-15%。但并没有实现纯Pt黑等非碳载体分散金属催化剂的印刷浆料的配置及印刷。 

中国专利CN1195336C，也是采用丝网印刷方法，制备的是憎水性电极。印刷浆料是加入了0.01-10%的疏水性聚合物聚四氟乙烯，而众所周知，由于质子传导等原因憎水电极性能不如亲水电极。因此，此方法制备电极性能不佳。 

基于以上分析，目前专利中，对于Pt黑尚没有实现丝网印刷，并且达到优异的电性能。 

发明内容

本发明的目的是克服纯金属Pt黑的易沉降特点，设计一种黏度适宜丝网印刷的催化剂浆料，实现纯金属催化剂的丝网印刷，得到一种电化学性能优异的膜电极催化层制备方法。 

为达到上述目的，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，该方法采用丝网印刷方法在导电基体上制备催化层，其步骤包括：步骤1，在导电基体上设置丝网印刷网板，采用催化剂浆料，透过丝网印刷网板在导电基体上印刷一层催化层；步骤2，通过加热将催化层中的溶剂除去。 

上述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其中，所述催化剂浆料包括催化剂、质子导电聚合物（为质子交换膜燃料电池中催化层的必要组份，传导质子作用）、增稠剂、溶剂；所述催化剂浆料的固含量为20%-40%，黏度为1000-5000cp；所述的催化剂为密度大的非载体金属催化剂，即指金属催化剂不是分散在碳等基体上的，是单一的金属催化剂。载体催化剂本身很好分散和涂敷，而非载体金属催化剂由于密度大，易沉降，难分散，本发明就是专门针对密度大的非载体金属催化剂作出的技术创新。所述增稠剂为纤维素类型，用量为0.01-5%，上述均是以重量百分数计。 

上述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其中，所述催化剂为Pt、Ru、Rh、Ir、IrO₂中任意一种或几种合金的固体催化剂。 

上述的质子交换膜燃料电池催化层的制备方法，其中，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠（SCMC），羧甲基2-羧乙基纤维素钠，羟乙基纤维素（HEC），甲基纤维素（MC），2-羟丙基甲基纤维素（HPMC），2-羟乙基甲基纤维素（HEMC），2-羟丁基甲基纤维素，2-羟乙基乙基纤维素及羟丙基纤维素（HPC）等的一种或几种的混合物。本发明使用纤维素的目的是为了增稠，强调配置浆料满足印刷催化剂要求，即提高浆料的黏度，满足丝网印刷要求；同时降低Pt黑等纯金属催化剂的沉降速度，并且纤维素的大分子结构抑制Pt黑颗粒的团聚，实现有效分散。最终目的是能够得到一种黏度合适、稳定、均一的浆料，实现丝网印刷。