无膜燃料电池催化剂浆料及制备催化剂浆料与电极方法技术

本发明专利技术提供一种无膜燃料电池催化剂浆料及制备催化剂浆料和电极组件的方法，所述催化剂浆料含有固体催化剂，分散剂，连接料和助剂。所述的催化剂浆料的制备方法为将助剂、连接料和分散剂搅拌混合；然后在高速搅拌下向所得糊状浆料中加入催化剂，搅拌后得到分散均匀的催化剂浆料。本发明专利技术还提供一种电极组件的制备方法。本发明专利技术制备的浆料所得浆料分散性好、稳定性高，不仅可以避免催化剂发生团聚现象，还可以降低贵金属铂的用量，可以保证催化剂在基板上形成均匀而致密的薄膜。本发明专利技术催化剂浆料和电极组件制备工艺简单，操作方便，可重复性强，适于连续生产，便于大规模推广应用。

【技术实现步骤摘要】
无膜燃料电池催化剂浆料及制备催化剂浆料与电极方法
本专利技术涉及的是燃料电池
，特别是涉及一种无膜燃料电池催化剂浆料、催化剂浆料制备方法与电极制备方法。
技术介绍
燃料电池被誉为继火电、水电和核电之后的第四代发电技术，对解决目前世界面临的“能源短缺”和“环境污染”这两大难题具有重要的意义。相较于传统的燃烧/内燃机过程，燃料电池过程中能量转换效率高，不受卡诺循环理论上限的制约，还避免了燃烧过程产生的污染问题，是化石能源向高效清洁的“低碳经济”过渡的重要环节。燃料电池大到可以作为分布式能源为企业、学校等场合供电，小到可以作为手机、电脑等便携设备的电源。另一方面，燃料电池供电及燃料电池汽车、电动车的大量使用，可以有力抑制环境的不断污染，同时遏制地球变暖。作为燃料电池中最为昂贵的组件，电解质膜的作用是间隔阳极和阴极并传导质子或离子。质子交换膜的性能直接决定着质子交换膜燃料电池的性能。尽管近年来国内外广大研究机构都在努力开发其他新型质子交换膜，但全氟磺酸膜仍是目前最适用于燃料电池的电解质膜。据估计，电解质膜可占电池总成本的40%以上。另外，质子交换膜容易导致电极偏差，膜干涸等技术问题。以上这些问题还没有很好解决，从而限制了燃料电池的进一步推广应用。通过微流动技术可以使反应物流体（燃料与氧化剂）在层流流动的控制下自然分层，避免了使用价格昂贵的质子交换膜，这种设计克服了电极偏差，膜干涸等由膜结构引致的各种问题。该技术实现了燃料电池的无膜化，即无膜燃料电池。目前，无膜燃料电池阴极和阳极催化剂均沿用常规质子交换膜燃料电池的催化剂制备路线，均是以铂系金属为主的贵金属催化剂。如Choban等人在文献中（JournalofPowerSources128(2004)54–60）报道的一种无膜燃料电池的实验方法，采用电沉积的铂作为阳极和阴极。铂系金属的价格昂贵，造成燃料电池难以大规模推广和应用。因此，针对无膜燃料电池的流体及化学特性，开发高效的催化剂涂覆及新型膜电极制备技术极为关键。丝网印刷技术被广泛应用于燃料电池电极的制备，通过对浆料进行改性，可以降低燃料电池铂的使用量。目前，主要是从载体、助剂的选择等方面进行。广泛使用碳材料作为催化剂载体，诸如碳纳米管、活性炭、石墨纳米纤维、石墨烯（GR）等。中国专利技术专利（201010523435.6）公开了一种燃料电池用石墨烯/FePt纳米催化剂的制备方法。申请人采用石墨烯作为碳载体、氯铂酸与硝酸铁作为前驱体。采用还原法制备高度分散的催化剂，可减少燃料电池催化剂中贵金属铂的负载量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有燃料电池膜电极用铂量较多、导电能力较差的不足，提供一种丝网印刷法制备燃料电池膜电极的方法。通过该方法制备的膜电极具有催化效果较好、用铂量较少及导电能力好的特点。制备过程中使用石墨烯作为催化剂载体，采用丝网印刷工艺将载有催化剂的碳纳米管直接印刷到基板表面。本专利技术提供一种无膜燃料电池催化剂浆料，所述催化剂浆料含有固体催化剂0.02～2wt%、优选0.2～1wt%，分散剂10～50wt%、优选20～40wt%，连接料10～60wt%，优选20～45wt%，助剂20～50wt%、优选25～40wt%。本专利技术所述无膜燃料电池催化剂浆料中，所述固体催化剂为Pt或负载在催化剂载体上的Pt或Pt-M催化剂，其中M可以为Ni、Co、Fe、Pd中一种或几种；所述催化剂载体可以为碳纳米管、炭黑、活性炭、石墨纳米纤维、石墨烯（GR）、碳纳米环、碳纳米线、碳纳米棒中的一种或几种，优选碳纳米管或石墨烯；所述负载在催化剂载体上的Pt或Pt-M催化剂中，Pt的重量含量为30～80%。所述分散剂可以为乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、氯仿中的一种或者几种。所述连接料为甲基纤维素和/或乙基纤维素。本专利技术所述无膜燃料电池催化剂浆料中，所述助剂可以为具有导电性的聚苯胺、聚噻吩、聚邻苯二胺、聚间苯二胺、聚对苯二胺、聚吡咯中的一种或几种，优选聚苯胺和/或聚噻吩。本专利技术上述催化剂浆料的制备方法包括如下步骤：（1）将助剂、连接料和分散剂混合，搅拌1～2小时；（2）在高速搅拌下向步骤（1）所得糊状浆料中加入催化剂，搅拌4～6小时，得到分散均匀的催化剂浆料。本专利技术催化剂浆料制备方法还可以为（1）首先将助剂与分散剂混合均匀，得到混合液；（2）在搅拌条件下向步骤（1）所述混合液中，加入连接料，剧烈搅拌1～2小时；（3）在高速搅拌下向步骤（2）所得糊状浆料中加入催化剂，搅拌4～6小时，得到分散均匀的催化剂浆料。本专利技术还提供一种电极组件的制备方法，所述电极组件用于无膜燃料电池，所述电极制备方法包括如下步骤：（1）对基板进行预处理，所述预处理操作为首先将基板用乙醇溶剂清洗1～5次，再用去离子水清洗1～5次，然后烘干备用；（2）在步骤（1）得到的处理后基板上印刷上述得到的催化剂浆料，在基板表面一共印刷10～30次，每印刷3～5次后，将涂有催化层基板在50～80℃下烘干5～20分钟，全部印刷完成后，将涂有催化层的基板在60～120℃下烘干40～90分钟。本专利技术电极组件的制备方法中，所述基板可以为碳纸、泡沫镍、刻有微通道的聚氯乙烯、聚四氟乙烯塑料基板中的任意一种。本专利技术所述催化剂浆料可以重复使用，每次使用完毕后需要密封避光保存，防止易挥发组分的挥发。本专利技术具有如下优点：本专利技术所述催化剂浆料中，采用甲基纤维素和乙基纤维素作为连接料，两种物质具有良好的分散性、粘接性以及增稠性，使得制备的浆料具有高分散、高稳定的特点，以此浆料制备的电极具有较好的柔韧性和稳定性。本专利技术所述的方法可以更好的将催化剂分散到浆料中，不仅可以避免催化剂发生团聚现象，还可以降低贵金属铂的用量，可以保证催化剂在基板上形成均匀而致密的薄膜，所得浆料稳定性高，在放置过程中不易发生沉降现象。本专利技术所述的方法通过加入具有导电性的助剂可以增加膜电极的导电性能，提高燃料电池的输出功率密度。本专利技术催化剂浆料制备方法和电极组件制备工艺简单，操作方便，可重复性强，适于连续生产，便于大规模推广应用。附图说明图1为本专利技术实施例3中制备的电极在2.5mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的循环伏安曲线。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的说明，所述实施例仅用于解释本专利技术，而不是对本专利技术的限制。Pt/石墨烯固体催化剂的制备本专利技术所用的Pt/石墨烯固体催化剂可以按照文献公开的方法制备，如王万丽等人的文献《铂/石墨烯氧还原电催化剂的共还原法制备及表征》（物理化学学报，2012,28(12)）。本专利技术所用固体催化剂的制备方法如下，将0.5g石墨烯溶于20mL的高纯水中，然后加入浓度为30mmol/L的氯铂酸溶液100mL，搅拌溶解均匀。在高速搅拌条件下逐滴加入0.2mmol/LNaBH4溶液150mL，连续搅拌60分钟，离心分离后，得到Pt/石墨烯固体催化剂。实施例1取乙醇10mL，甲基纤维素15g，可溶性聚苯胺20g加入到烧瓶中，连续搅拌1小时，得到糊状浆料；然后在高速搅拌条件下向糊状浆料中加入Pt/石墨烯催化剂0.15g，持续搅拌4小时，即得到本专利技术一种催化剂浆料。将碳纸裁成5cm×10cm矩形状作为基板，表面用无水乙醇清洗3次，再用去离子水清洗4次，然后烘干，在处理后的基板本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无膜燃料电池催化剂浆料，其特征在于：所述催化剂浆料含有固体催化剂0.02～2wt%，分散剂10～50wt%，连接料10～60wt%，助剂20～50wt%。

【技术特征摘要】
1.一种无膜燃料电池催化剂浆料，其特征在于：所述催化剂浆料含有固体催化剂0.02～2wt%，分散剂10～50wt%，连接料10～60wt%，助剂20～50wt%，其中，所述连接料为乙基纤维素；所述分散剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、氯仿中的一种或者几种；所述助剂为具有导电性的聚苯胺、聚噻吩、聚邻苯二胺、聚间苯二胺、聚对苯二胺、聚吡咯中的一种或几种；所述固体催化剂为Pt或负载在催化剂载体上的Pt或Pt-M催化剂，其中，M为Ni、Co、Fe、Pd中一种或几种。2.根据权利要求1所述的催化剂浆料，其特征在于：所述催化剂浆料含有固体催化剂0.2～1wt%，分散剂20～40wt%，连接料20～45wt%，助剂25～40wt%。3.根据权利要求1或2所述的催化剂浆料，其特征在于：所述助剂为聚苯胺和/或聚噻吩。4.根据权利要求1或2所述的催化剂浆料，其特征在于：所述催化剂载体为碳纳米管、炭黑、活性炭、石墨纳米纤维、石墨烯、碳纳米环、碳纳米线、碳纳米棒中的一种或几种。5.根据权利要求4所述的催化剂浆料，其特征在于：所述催化剂载体为碳纳米管或石墨烯。6.一种制备权利要求1～5中任一项所述的催化剂浆料的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红涛，张胜中，徐宏，王海波，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11