CN110323460B - 催化剂浆料、制备方法及燃料电池 - Google Patents

催化剂浆料、制备方法及燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种催化剂浆料、催化剂浆料的制备方法、燃料电池催化层的制备方法及燃料电池，该催化剂浆料的制备方法包括：提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液和催化剂，其中，所述全氟磺酸聚合物均匀分散在所述第一溶液中，且其分子链呈舒展状态；将所述第一溶液和所述催化剂混合均匀并分散，得到所述催化剂浆料，其中，所述催化剂均匀分散在所述催化剂浆料中和所述全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中。通过这种方式，本发明能够实现催化剂浆料分散均匀，进而使催化层结构均匀、孔隙率高、利用率高，使燃料电池的气体扩散性能好，能够提高燃料电池膜电极的电性能和耐久性。

Description

催化剂浆料、制备方法及燃料电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种催化剂浆料、催化剂浆料的制备方法、燃料电池催化层的制备方法及燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种电化学电池，其主要原理是将燃料和氧化剂中的化学能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane FuelCell)作为燃料电池领域的重要分枝，除了拥有燃料电池一般性特点如能量转换效率高、环境友好之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率和比能量高等突出优点。因此，质子交换膜燃料电池具有非常广阔的应用前景。
膜电极(MEA，Membrane Electrode Assembly)是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极一般由五部分组成：中间的质子交换膜、两侧的阴/阳极催化层和最外侧的阴/阳极气体扩散层。催化层是由催化剂和全氟磺酸离子交联聚合物分散在溶剂中所形成的催化剂浆料，经不同的涂布工艺附着到质子交换膜或者气体扩散层上制成的。其中，催化剂浆料分散的均匀性对膜电极的性能起着决定性作用。
但是，本申请的发明人在长期的研发过程中发现，燃料电池催化剂浆料分散不均匀，催化层结构不均匀，催化层孔隙率较低，导致催化剂利用率不高，不利于气体扩散及传质过程，严重影响膜电极的电性能和耐久性。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种催化剂浆料、催化剂浆料的制备方法、燃料电池催化层的制备方法及燃料电池，能够实现催化剂浆料分散均匀，进而使催化层结构均匀、孔隙率高、利用率高，使燃料电池的气体扩散性能好，能够提高燃料电池膜电极的电性能和耐久性。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种催化剂浆料，包括：全氟磺酸聚合物，均匀分散在所述催化剂浆料中，且其分子链呈舒展状态；催化剂，均匀分散在所述催化剂浆料中和所述全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中。
其中，所述催化剂是含铂的催化剂；所述催化剂中所述铂的质量百分含量范围是20-70％；所述催化剂的载体是碳载体；所述催化剂包括碳载铂、碳载铂钯、碳载铂钌、碳载铂铱中的一种；所述全氟磺酸聚合物与所述催化剂中所述碳载体的重量比范围是0.5-1.5。
其中，所述催化剂浆料还包括第一溶剂；所述第一溶剂是极性溶剂；所述第一溶剂是水和第一有机溶剂的混合溶剂；所述第一有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种。
其中，所述催化剂浆料的粘度范围是10-300毫帕斯卡·秒。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种燃料电池，所述燃料电池包括催化层，所述催化层是利用如上任一项所述的催化剂浆料涂布而形成的。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种催化剂浆料的制备方法，所述方法包括：提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液和催化剂，其中，所述全氟磺酸聚合物均匀分散在所述第一溶液中，且其分子链呈舒展状态；将所述第一溶液和所述催化剂混合均匀并分散，得到所述催化剂浆料，其中，所述催化剂均匀分散在所述催化剂浆料中和所述全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中。
其中，所述提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液，包括：提供含全氟磺酸聚合物的第二溶液和第二有机溶剂；将所述第二溶液和所述第二有机溶剂在回流装置中加热混合均匀，得到所述第一溶液；其中，所述第二溶液中所述全氟磺酸聚合物的质量百分含量的范围是5-30％；所述第二溶液是含全氟磺酸聚合物的水溶液或者是含全氟磺酸聚合物的醇溶液；所述全氟磺酸聚合物的当量重量的范围是700-1100g/mol；所述第二有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种；所述第二有机溶剂的含量为所述第一溶液的5-50％；加热的温度范围是25-100℃，加热的时间范围是30-240min；混合方式为磁力搅拌；所述第一溶液的粘度范围是50-500毫帕斯卡·秒。
其中，所述催化剂是含铂的催化剂；所述催化剂中所述铂的质量百分含量范围是20-70％；所述催化剂的载体是碳载体；所述催化剂包括碳载铂、碳载铂钯、碳载铂钌、碳载铂铱中的一种；所述全氟磺酸聚合物与所述催化剂中所述碳载体的重量比范围是0.5-1.5。
其中，所述将所述第一溶液和所述催化剂混合均匀并分散，包括：将所述第一溶液、所述催化剂以及第二溶剂混合均匀并分散；其中，分散方式是超声分散；所述第二溶剂是极性溶剂；所述第二溶剂是水和第二有机溶剂的混合溶剂；所述第二有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种；所述催化剂浆料的粘度范围是10-300毫帕斯卡·秒；所述催化剂浆料的粘度范围是通过调整所述第二有机溶剂和所述水的比例而得到的。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种燃料电池催化层的制备方法，所述方法包括：提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液和催化剂，其中，所述全氟磺酸聚合物均匀分散在所述第一溶液中，且其分子链呈舒展状态；将所述第一溶液和所述催化剂混合均匀并分散，得到所述催化剂浆料，其中，所述催化剂均匀分散在所述催化剂浆料中和所述全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中；利用所述催化剂浆料进行涂布，形成催化层。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的催化剂浆料中，全氟磺酸聚合物均匀分散在催化剂浆料中，其分子链呈舒展状态，这使得全氟磺酸聚合物的表面积增加，打破无孔的结构，催化剂除了能够均匀分散在催化剂浆料中外，还能够进入全氟磺酸聚合物的分子链内部，能够均匀分散在全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中，因此，催化剂在整个催化剂浆料中分散均匀，当这些分散均匀的催化剂浆料制备催化层后，催化剂被分散在全氟磺酸聚合物分子链交织的分子网中，在溶剂挥发后形成微孔孔隙，因此，催化层结构均匀，催化层孔隙率高，催化剂利用率高，利于气体扩散及传质过程，从而能够提高膜电极的电性能和耐久性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明催化剂浆料的制备方法一实施例的流程示意图；
图2是本发明催化剂浆料的制备方法另一实施例的流程示意图；
图3是本发明燃料电池催化层的制备方法一实施例的流程示意图；
图4是对比例阴极催化层扫描电子显微镜图；
图5是实施例1阴极催化层扫描电子显微镜图；
图6是实施例1和对比例的膜电极的电性能图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在详细介绍本发明之前，先了解一下与本发明相关的现有技术情况。
燃料电池是一种电化学电池，其主要原理是将燃料和氧化剂中的化学能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane FuelCell)作为燃料电池领域的重要分枝，除了拥有燃料电池一般性特点如能量转换效率高、环境友好之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率和比能量高等突出优点。它不仅适用于分散式电站的建设，而且适用于移动供电，是一种新型的军用和民用移动电源。因此，质子交换膜燃料电池具有非常广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过，而H2失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。
膜电极(MEA，Membrane Electrode Assembly)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是燃料电池进行氧化还原反应的场所，膜电极一般由五部分组成：中间的质子交换膜、两侧的阴/阳极催化层和最外侧的阴/阳极气体扩散层。催化层是由催化剂和全氟磺酸离子交联聚合物分散在溶剂中所形成的催化剂浆料，经不同的涂布工艺附着到质子交换膜或者气体扩散层上制成的。其中，催化剂浆料分散的均匀性对膜电极的性能起着决定性作用。
本发明的催化剂浆料由于全氟磺酸聚合物的分子链呈舒展状态，这使得催化剂能够均匀分散在全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中，使全氟磺酸聚合物的分子链与催化剂的接触更紧密均匀，进而能够使催化剂浆料分散均匀；在利用该催化剂浆料涂膜进行干燥时，催化剂被分散在全氟磺酸聚合物的分子链交织的分子网中，当溶剂挥发后形成微孔孔隙，能够使制备的催化层孔隙率较高，致使催化剂利用率高，气体透过性、扩散性较高，利于气体扩散过程，提高燃料电池膜电极的电性能和耐久性。另外，该催化剂浆料的制备方法简单，成分简单，成本低。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种催化剂浆料，主要用于燃料电池，该催化剂浆料包括全氟磺酸聚合物和催化剂；其中，全氟磺酸聚合物均匀分散在催化剂浆料中，且其分子链呈舒展状态，催化剂均匀分散在催化剂浆料中和全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中。
全氟磺酸聚合物由四氟乙烯和全氟磺酸烯醚单体共聚而成，全氟磺酸聚合物是无孔结构、非共价交联的离聚物，表面积不足0.02m2/g，这使得现有技术中制备得到的催化剂浆料，其催化剂无法进入全氟磺酸聚合物内部，仅仅分散在全氟磺酸聚合物外部，即分散在催化剂浆料，因此，催化剂在整个催化剂浆料中分散并不均匀，当这些分散不均匀的催化剂浆料制备催化层后，催化层结构不均匀，催化层孔隙率较低，导致催化剂利用率不高，不利于气体扩散及传质过程，严重影响膜电极的电性能和耐久性。
本发明实施例中的催化剂浆料中，全氟磺酸聚合物均匀分散在催化剂浆料中，其分子链呈舒展状态，这使得全氟磺酸聚合物的表面积增加，打破无孔的结构，催化剂除了能够均匀分散在催化剂浆料中外，还能够进入全氟磺酸聚合物的分子链内部，能够均匀分散在全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中，因此，催化剂在整个催化剂浆料中分散均匀，当这些分散均匀的催化剂浆料制备催化层后，催化剂被分散在全氟磺酸聚合物分子链交织的分子网中，在溶剂挥发后形成微孔孔隙，因此，催化层结构均匀，催化层孔隙率高，催化剂利用率高，利于气体扩散及传质过程，从而能够提高膜电极的电性能和耐久性。
催化剂可以是直接起催化作用的活性物质，也可以是载体负载活性物质型催化剂。其中，催化剂是含铂的催化剂；催化剂中铂的质量百分含量范围是20-70％，例如：20％、45％、70％，等等。进一步，该催化剂是载体负载铂的催化剂，其中，催化剂的载体是碳载体，碳载体的材料可以是乙炔黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种组合。具体地，催化剂包括碳载铂、碳载铂钯、碳载铂钌、碳载铂铱中的一种；全氟磺酸聚合物与催化剂中碳载体的重量比范围是0.5-1.5，例如：0.5、1.0、1.5，等等。
其中，催化剂浆料还包括第一溶剂；第一溶剂是极性溶剂，全氟磺酸聚合物是离聚物，极性溶剂能够有助于全氟磺酸聚合物在催化剂浆料中分散均匀；进一步，第一溶剂是水和第一有机溶剂的混合溶剂，能够有助于全氟磺酸聚合物在催化剂浆料中分散均匀；其中，第一有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种。
在一实施例中，催化剂浆料的粘度范围是10-300毫帕斯卡·秒(mpa·s)，例如：10mpa·s、150mpa·s、300mpa·s，等等。
本发明还提供一种燃料电池，该燃料电池包括催化层，催化层是利用如上任一项的催化剂浆料涂布而形成的。相关内容的详细说明请参见上述催化剂浆料部分，在此不再赘叙。
参见图1，图1是本发明催化剂浆料的制备方法一实施例的流程示意图，本实施例的制备方法能够制备上述的催化剂浆料，相关内容的详细说明请参见上述催化剂浆料部分，在此不再赘叙。该方法包括：
步骤S101：提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液和催化剂，其中，全氟磺酸聚合物均匀分散在第一溶液中，且其分子链呈舒展状态。在第一溶液中，全氟磺酸聚合物的分子链呈舒展状态。
步骤S102：将第一溶液和催化剂混合均匀并分散，得到催化剂浆料，其中，催化剂均匀分散在催化剂浆料中和全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中。
本发明实施例的制备方法制备出来的催化剂浆料，全氟磺酸聚合物均匀分散在催化剂浆料中，其分子链呈舒展状态，这使得全氟磺酸聚合物的表面积增加，打破无孔的结构，催化剂除了能够均匀分散在催化剂浆料中外，还能够进入全氟磺酸聚合物的分子链内部，能够均匀分散在全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中，因此，催化剂在整个催化剂浆料中分散均匀，当这些分散均匀的催化剂浆料制备催化层后，催化剂被分散在全氟磺酸聚合物分子链交织的分子网中，在溶剂挥发后形成微孔孔隙，因此，催化层结构均匀，催化层孔隙率高，催化剂利用率高，利于气体扩散及传质过程，从而能够提高膜电极的电性能和耐久性。另外，本实施例的制备方法首先使全氟磺酸聚合物的分子链呈舒展状态，针对性强，然后再将催化剂与其混合均匀并分散，工艺简单，成分简单，成本低。
参见图2，在一实施例中，步骤S101具体可以包括：子步骤S1011和子步骤S1012。
子步骤S1011：提供含全氟磺酸聚合物的第二溶液和第二有机溶剂。在第二溶液中，全氟磺酸聚合物的分子链是未舒展的状态。
子步骤S1012：将第二溶液和第二有机溶剂在回流装置中加热混合均匀，得到第一溶液。
有机溶剂通常容易挥发，回流装置能够防止其挥发，避免有机溶剂的浪费。在一定温度下，磺酸基团和有机溶剂分子互相作用吸附，能够使全氟磺酸分子链得以充分舒展，因而使之与催化剂的接触更紧密均匀。
其中，第二溶液中全氟磺酸聚合物的质量百分含量的范围是5-30％，例如：5％、15％、20％、30％，等等；第二溶液是含全氟磺酸聚合物的水溶液或者是含全氟磺酸聚合物的醇溶液；全氟磺酸聚合物的当量重量(即表示含1mol磺酸基团的树脂克数)的范围是700-1100g/mol，例如：700g/mol、900g/mol、1100g/mol，等等；第二有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种；第二有机溶剂的质量含量为第一溶液的5-50％(即第二有机溶剂的加入质量的范围是第一溶液的5-50％)，例如：5％、25％、50％，等等。
回流装置加热时，加热的温度范围是25-100℃，例如：25℃、50℃、75℃、100℃，等等，加热的时间范围是30-240min，例如：30min、100min、180min、240min，等等；混合方式为磁力搅拌；第一溶液的粘度范围是50-500毫帕斯卡·秒(mpa·s)，例如：50mpa·s、200mpa·s、350mpa·s、500mpa·s，等等。
需要说明的是，在实际应用中，可通过选择所添加的醇的种类，调节溶剂的量，调节加热的温度、加热的时间来调节含全氟磺酸聚合物的第一溶液的粘度，以使具有预期粘度的催化剂浆料更加容易获得。
其中，催化剂是含铂的催化剂；催化剂中铂的质量百分含量范围是20-70％；催化剂的载体是碳载体；催化剂包括碳载铂、碳载铂钯、碳载铂钌、碳载铂铱中的一种；全氟磺酸聚合物与催化剂中碳载体的重量比范围是0.5-1.5。
在一实施例中，步骤S102中，将第一溶液和催化剂混合均匀并分散，具体可以包括：将第一溶液、催化剂以及第二溶剂混合均匀并分散。
其中，分散方式是超声分散；第二溶剂是极性溶剂；第二溶剂是水和第三有机溶剂的混合溶剂；第三有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种。
其中，催化剂浆料的粘度范围是10-300毫帕斯卡·秒；在一实施例中，催化剂浆料的粘度范围是通过调整第三有机溶剂和水的比例而得到的。
参见图3，图3是本发明燃料电池催化层的制备方法一实施例的流程示意图，本实施例燃料电池催化层的制备是在上述催化剂浆料的制备方法的基础上实施的，即利用上述制备得到的催化剂浆料进一步制备燃料电池催化层，有关催化剂浆料的制备方法具体请参见上述内容，在此不再赘叙。该方法包括：
步骤S201：提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液和催化剂，其中，全氟磺酸聚合物均匀分散在第一溶液中，且其分子链呈舒展状态。
步骤S202：将第一溶液和催化剂混合均匀并分散，得到催化剂浆料，其中，催化剂均匀分散在催化剂浆料中和全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中。
提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液，包括：
提供含全氟磺酸聚合物的第二溶液和第二有机溶剂；
将所述第二溶液和所述第二有机溶剂在回流装置中加热混合均匀，得到所述第一溶液；
其中，所述第二溶液中所述全氟磺酸聚合物的质量百分含量的范围是5-30％；所述第二溶液是含全氟磺酸聚合物的水溶液或者是含全氟磺酸聚合物的醇溶液；所述全氟磺酸聚合物的当量重量的范围是700-1100g/mol；所述第二有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种；所述第二有机溶剂的质量含量为所述第一溶液的5-50％；
步骤S203：利用催化剂浆料进行涂布，形成催化层。具体地，通过涂布方式将催化剂浆料涂敷到质子交换膜上或者聚四氟乙烯膜上形成催化层。涂布方式为超声喷涂、刮刀式和狭缝式涂布中的一种，可根据催化剂浆料的粘度选择合适的涂布方式。
下面通过具体的实际应用来说明本发明的制备方法以及该制备方法制备出来的催化层的表面情况。
实施例1
1)将当量重量为790g/mol、质量百分含量为20％的全氟磺酸聚合物醇溶液(第二溶液)和含量为第一溶液的20％的异丙醇(第二有机溶剂)在回流装置中加热到50℃，磁力搅拌混合30min，制备出粘稠的全氟磺酸聚合物混合溶液(第一溶液)，粘度为200mpa·s。
2)将铂含量为40％的碳载铂催化剂(催化剂)与粘稠的全氟磺酸聚合物混合溶液(第一溶液)、去离子水和异丙醇(第二溶剂)，通过机械搅拌和超声波破碎仪超声分散制备出催化剂浆料，全氟磺酸聚合物和催化剂中碳载体的重量比(I/C)为I/C＝0.6，催化剂浆料的粘度控制在150mpa·s。
3)通过刮刀涂布的方式将催化剂浆料涂敷到质子交换膜上，阴极催化剂负载量为0.4mg/cm2，阳极催化剂负载量为0.1mg/cm2。
实施例2
1)将当量重量为900g/mol、质量百分含量为10％的全氟磺酸聚合物水溶液(第二溶液)和含量为第一溶液的40％的乙醇(第二有机溶剂)在回流装置中加热到25℃，磁力搅拌混合100min，制备出粘稠的全氟磺酸聚合物混合溶液(第一溶液)，粘度为50mpa·s。
2)将铂含量为30％的碳载铂催化剂(催化剂)与粘稠的全氟磺酸聚合物混合溶液(第一溶液)、去离子水和乙醇(第二溶剂)，通过机械搅拌和超声波破碎仪超声分散制备出催化剂浆料，全氟磺酸聚合物和催化剂中碳载体的重量比(I/C)为I/C＝1.0，催化剂浆料的粘度控制在10mpa·s。
3)通过超声喷涂的方式将催化剂浆料涂敷到质子交换膜上，阴极催化剂负载量为0.4mg/cm2，阳极催化剂负载量为0.1mg/cm2。
实施例3
1)将当量重量为1100g/mol、质量百分含量为30％的全氟磺酸聚合物醇溶液(第二溶液)和含量为第一溶液的30％的丙醇(第二有机溶剂)在回流装置中加热到100℃，磁力搅拌混合200min，制备出粘稠的全氟磺酸聚合物混合溶液(第一溶液)，粘度为300mpa·s。
2)将铂含量为60％的碳载铂催化剂(催化剂)与粘稠的全氟磺酸聚合物混合溶液(第一溶液)、去离子水和丙醇(第二溶剂)，通过机械搅拌和超声波破碎仪超声分散制备出催化剂浆料，全氟磺酸聚合物和催化剂中碳载体的重量比(I/C)为I/C＝0.8，催化剂浆料的粘度控制在250mpa·s。
3)通过狭缝涂布的方式将催化剂浆料涂敷到质子交换膜上，阴极催化剂负载量为0.4mg/cm2，阳极催化剂负载量为0.1mg/cm2。
对比例
1)将铂含量为40％的碳载铂催化剂与当量重量为790g/mol、质量百分含量为20％的全氟磺酸聚合物醇溶液、去离子水和异丙醇通过机械搅拌和超声波破碎仪超声分散制备出催化剂浆料，全氟磺酸聚合物和催化剂中碳载体的重量比为I/C＝0.6，催化剂浆料的粘度控制在100mpa·s。
2)通过刮刀涂布的方式将催化剂浆料涂敷到质子交换膜上，阴极催化剂负载量为0.4mg/cm2，阳极催化剂负载量为0.1mg/cm2。
通过扫描电镜观测实施例1-3、对比例的催化层的表面情况，可以明显地看出本发明实施例的方法制备出来的催化层表面催化剂分散均匀、催化层结构均匀化且催化层的孔隙率较高。通过检测由实施例1-3、对比例的催化层组成的膜电极的电性能，可以明显地看出由本发明实施例的方法制备出来的催化层组成的膜电极的电性能和耐久性显著提高。
以实施例1和对比例的对比来具体说明。请参见图4和图5，图4是对比例阴极催化层扫描电子显微镜图，图5是实施例1阴极催化层扫描电子显微镜图；请参见图6，图6是实施例1和对比例的膜电极的电性能图。从图4、图5以及图6可明显地看出本发明方法制备的催化层表催化剂分散均匀、催化层结构均匀化且催化层的孔隙率较高，致使催化剂利用率高，利于气体扩散过程，燃料电池膜电极的电性能和耐久性显著提高。
总的来说，本发明实施例中：
第一、因在一定温度下磺酸基团和有机溶剂分子互相作用吸附，使全氟磺酸聚合物分子链得以充分舒展，因而使之与催化剂的接触更紧密均匀。
第二、能够有效制备出催化剂分散均匀且具有适当粘性的涂敷性能较高的催化剂浆料。
第三、在该涂膜进行干燥时，催化剂被分散在全氟磺酸聚合物分子链交织的分子网中，从而在溶剂挥发后形成微孔孔隙，因此制备的催化层气体透过性、扩散性较高。
第四、可通过选择所添加的醇的种类，调节溶剂的量，调节加热的温度、加热时间来调节含全氟磺酸聚合物的第一溶液的粘度，这样能够使具有预期粘度的催化剂浆料更容易获得。
第五、该催化剂浆料适合各种涂布方式。
第六、制备的催化层中催化剂和离子树脂分散均匀，且催化层的孔隙率较高，致使催化剂利用率高，利于气体扩散过程，提高燃料电池膜电极的电性能和耐久性。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种催化剂浆料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液和催化剂，其中，所述全氟磺酸聚合物均匀分散在所述第一溶液中，且其分子链呈舒展状态，使得全氟磺酸聚合物的表面积增加；
将所述第一溶液和所述催化剂混合均匀并分散，得到所述催化剂浆料，其中，所述催化剂均匀分散在所述催化剂浆料中和所述全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中；
所述提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液，包括：
提供含全氟磺酸聚合物的第二溶液和第二有机溶剂；
将所述第二溶液和所述第二有机溶剂在回流装置中加热混合均匀，得到所述第一溶液；
其中，所述第二溶液中所述全氟磺酸聚合物的质量百分含量的范围是5-30%；所述第二溶液是含全氟磺酸聚合物的水溶液或者是含全氟磺酸聚合物的醇溶液；所述全氟磺酸聚合物的当量重量的范围是700-1100g/mol；所述第二有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种；所述第二有机溶剂的质量含量为所述第一溶液的5-50%；
加热的温度范围是25-100℃，加热的时间范围是30-240min；混合方式为磁力搅拌；所述第一溶液的粘度范围是50-500毫帕斯卡·秒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂是含铂的催化剂；所述催化剂中所述铂的质量百分含量范围是20-70%；所述催化剂包括碳载铂、碳载铂钯、碳载铂钌、碳载铂铱中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一溶液和所述催化剂混合均匀并分散，包括：
将所述第一溶液、所述催化剂以及第二溶剂混合均匀并分散；
其中，分散方式是超声分散；所述第二溶剂是极性溶剂；所述第二溶剂是水和第三有机溶剂的混合溶剂；所述第三有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种；
所述催化剂浆料的粘度范围是10-300毫帕斯卡·秒；
所述催化剂浆料的粘度范围是通过调整所述第三有机溶剂和所述水的比例而得到的。
4.一种催化剂浆料，其特征在于，所述催化剂浆料由权利要求1-3任一项所述的催化剂浆料制备方法制备而成。
5.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括催化层，所述催化层由如权利要求4所述的催化剂浆料涂布而形成。
6.一种燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液和催化剂，其中，所述全氟磺酸聚合物均匀分散在所述第一溶液中，且其分子链呈舒展状态；
将所述第一溶液和所述催化剂混合均匀并分散，得到所述催化剂浆料，其中，所述催化剂均匀分散在所述催化剂浆料中和所述全氟磺酸聚合物呈舒展状态的分子链中；
所述提供含全氟磺酸聚合物的第一溶液，包括：
提供含全氟磺酸聚合物的第二溶液和第二有机溶剂；
将所述第二溶液和所述第二有机溶剂在回流装置中加热混合均匀，得到所述第一溶液；
其中，所述第二溶液中所述全氟磺酸聚合物的质量百分含量的范围是5-30%；所述第二溶液是含全氟磺酸聚合物的水溶液或者是含全氟磺酸聚合物的醇溶液；所述全氟磺酸聚合物的当量重量的范围是700-1100g/mol；所述第二有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的至少一种；所述第二有机溶剂的质量含量为所述第一溶液的5-50%；
加热的温度范围是25-100℃，加热的时间范围是30-240min；混合方式为磁力搅拌；所述第一溶液的粘度范围是50-500毫帕斯卡·秒；
利用所述催化剂浆料进行涂布，形成催化层。
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