CN111095637B - 制备催化剂层的方法、催化剂层和包括该催化剂层的膜电极组件及燃料电池 - Google Patents

制备催化剂层的方法、催化剂层和包括该催化剂层的膜电极组件及燃料电池 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种催化剂层的制备方法、包括催化剂层的膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池，所述制备方法包括如下步骤：制备溶液，该溶液包含离聚物和2‑乙氧基乙醇及C1‑C6醇溶剂；通过向所述溶液中加入碳粉催化剂形成催化剂浆料组合物；以及，通过将所述催化剂浆料组合物涂布在基材上，然后干燥所述催化剂浆料组合物来形成催化剂层，其中，在催化剂浆料组合物中碳粉催化剂、C1‑C6醇溶剂和2‑乙氧基乙醇的重量比为1:2.5:2.5至1:4.5:4.5，并且基于100重量份的催化剂层，在催化剂层中包含2‑乙氧基乙醇和C1‑C6醇溶剂的溶剂的含量为10重量份至20重量份。

Description

制备催化剂层的方法、催化剂层和包括该催化剂层的膜电极 组件及燃料电池
技术领域
本申请要求于2018年1月26日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0009860号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本说明书涉及一种制备催化剂层的方法、催化剂层和包括该催化剂层的膜电极组件及燃料电池。
背景技术
对于基于烃的膜电极组件(MEA)，需要进行研究以在催化剂电极中保持恒定量的溶剂以组装电解质膜和催化剂电极，这与基于氟的膜电极组件(MEA)不同。催化剂电极中的溶剂在很大程度上具有如下优点：催化剂电极中的溶剂用于增加向电解质膜的传递速率，同时，当催化剂电极长时间储存以及制备电极浆料时，有利于控制裂纹的发生和电极浆料的分散。然而，催化剂电极中的溶剂具有的问题是，该溶剂充当阻碍膜电极组件(MEA)的活性的因素。进行膜电极组件的活化(老化)主要是为了活化催化剂电极，在膜电极组件(MEA)中供水，并除去残留在膜电极组件(MEA)中的溶剂，以及在这种情况下，催化剂电极中的溶剂充当残留在膜电极组件(MEA)中的溶剂，从而降低了膜电极组件(MEA)的活化率。
当前，最常用作电极中溶剂的溶剂是甘油。就膜电极组件(MEA)的活性而言，因为甘油的沸点约为290℃，所以在膜电极组件(MEA)的传递过程中甘油没有被完美地除去，并且在活化过程中取决于气体/水的流动和反应，甘油被缓慢地除去。特别地，甘油具有的缺点在于，由于甘油的高粘度而难以除去甘油。因此，为了提高膜电极组件(MEA)的活化率，需要使用容易除去同时起到类似甘油作用的溶剂。
发明内容
技术问题
本说明书致力于提供一种制备催化剂层的方法、催化剂层和包括该催化剂层的膜电极组件及燃料电池。
技术方案
本说明书的一个示例性实施方案提供了一种制备催化剂层的方法，该方法包括：制备溶液，该溶液包含：离聚物；和溶剂，该溶剂包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂；通过向所述溶液中加入碳粉催化剂形成催化剂浆料组合物；以及，通过将所述催化剂浆料组合物涂布在基材上，然后干燥所述催化剂浆料组合物来形成催化剂层，其中，在催化剂浆料组合物中碳粉催化剂、具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂和2-乙氧基乙醇的重量比为1:2.5:2.5至1:4.5:4.5，并且基于100重量份的催化剂层，在催化剂层中包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂的含量为10重量份至20重量份。
此外，本说明书的一个示例性实施方案提供了一种催化剂层，其包括：碳粉催化剂；离聚物；包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂，其中，基于100重量份的催化剂层，包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂的含量为10重量份至20重量份。
另外，本说明书的示例性实施方案提供了一种膜电极组件，其包括：阳极催化剂层，阴极催化剂层和设置在所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间的聚合物电解质膜，其中，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的至少一个包括上述催化剂层。
此外，本说明书的示例性实施方案提供了一种燃料电池，其包括上述膜电极组件(MEA)。
有益效果
根据本说明书示例性实施方案的制备催化剂层的方法，通过如下步骤形成催化剂层：形成其中添加了包含2-乙氧基乙醇的溶剂的催化剂浆料组合物，然后通过对催化剂浆料组合物进行超声处理使催化剂浆料组合物再均质化，与使用甘油所制备的催化剂层的制备方法相比，可以改善离聚物的分散性，并且同时具有优异的膜电极组件(MEA)内部活化率。
此外，与现有的制备方法相比，根据本说明书的示例性实施方案的制备催化剂层的方法可以减少离聚物聚集现象和裂纹现象。
另外，根据本说明书的示例性实施方案的制备催化剂层的方法通过减少离聚物聚集现象和裂纹现象而减少燃料的渗透，从而改善了燃料电池的开路电压(OCV)，由此提高了燃料电池的性能。
附图说明
图1是示意性地图示膜电极组件的结构的示图。
图2示出了通过根据本说明书实施例1和2以及比较例1的制备膜电极组件的方法制备的电极的性能。
图3示出了通过根据本说明书实施例1和2以及比较例1的制备膜电极组件的方法制备的电极的活化率。
10：电解质膜
20：阴极催化剂层
21：阳极催化剂层
40：阴极气体扩散层
41：阳极气体扩散层
50：阴极
51：阳极
具体实施方式
下文，将更详细地描述本发明。
在本说明书中，“在...上(on)”不仅是指在被设置的同时与一层物理接触，而且是指在适当位置上被设置在这一层上。即，设置在任何一层上的层也可以在它们之间具有另一层。
当在本说明书中一部分“包括”一个构成要素时，除非另外具体说明，这并不意味着排除另一构成要素，而是意味着可以进一步包括另一构成要素。
本说明书的一个示例性实施方案提供了一种制备催化剂层的方法，该方法包括：制备溶液，该溶液包含：离聚物；和溶剂，该溶剂包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂；通过向所述溶液中加入碳粉催化剂形成催化剂浆料组合物；以及，通过将所述催化剂浆料组合物涂布在基材上，然后干燥所述催化剂浆料组合物来形成催化剂层，其中，在催化剂浆料组合物中碳粉催化剂、具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂和2-乙氧基乙醇的重量比为1:2.5:2.5至1:4.5:4.5，并且基于100重量份的催化剂层，在催化剂层中包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂的含量为10重量份至20重量份。
当通过使用包含2-乙氧基乙醇的溶剂来制备催化剂层时，由于2-乙氧基乙醇的沸点为135℃，因此与使用相关技术中使用的具有高于135℃沸点的溶剂(例如甘油(沸点：290℃)等溶剂)的情况相比，以更低的温度和更短的干燥时间进行干燥工序。因此，在包括催化剂层的膜电极组件(MEA)的传递过程中，可以获得相似的传递速率和相似的性能，同时具有改善的活化率。
在本说明书的一个示例性实施方案中，所述溶液可以包含：离聚物；和溶剂，该溶剂包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂。
在本说明书中，作为碳粉催化剂，可以使用在碳粉的表面负载有金属的催化剂。
在本说明书中，作为碳粉催化剂，可以使用在碳粉的表面负载有铂的催化剂(Pt/C)。
作为碳粉，可以使用选自石墨、炭黑、乙炔黑、Denka炭黑、科琴黑(Ketjen black)、活性炭、中孔碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角、碳纳米环、碳纳米线、富勒烯(C60)和Super P中的一种或两种以上的混合物，但是碳粉不限于此。
在负载有铂的碳粉催化剂(Pt/C)中，基于100重量份的碳，基于碳负载的铂的量优选为10重量份至80重量份，更优选为30重量份至70重量份，但不限于此。
当基于碳负载的铂的量大于80重量份时，可能会出现的问题是膜电极组件中电极的厚度变薄。当电极的厚度变薄时，氢气和氧气在电极层中不被氧化/还原而直接到达膜的可能性增加，从而可能出现的问题是膜电极组件的整体性能降低，并且耐久性劣化。
在本说明书的一个示例性实施方案中，所述离聚物是基于氟的聚合物。
具体地，所述离聚物可用于提供通道，由燃料(例如氢或甲醇)与催化剂之间的反应产生的离子通过该通道移动至电解质膜。
在本说明书中，所述离聚物可以是全氟磺酸(PFSA)类聚合物或全氟羧酸(PFCA)类聚合物。作为全氟磺酸类聚合物和全氟羧酸类聚合物，可以分别使用Nafion(Dupont Co.,Ltd.制造)和Flemion(Asahi Glass Co.,Ltd.制造)。
根据本说明书的一个示例性实施方案，所述离聚物的重均分子量可以为240g/mol至200,000g/mol，特别是240g/mol至10,000g/mol。
在本说明书中，基于100重量份的碳粉催化剂，所述离聚物的含量优选为5重量份至150重量份，但不限于此。
当基于碳粉催化剂所述离聚物的含量小于5重量份时，离子不能适当地传递至电解质膜，而当基于碳粉催化剂所述离聚物的含量大于150重量份时，离聚物会阻止气体渗透，从而降低膜电极组件的性能。
在本说明书的一个示例性实施方案中，具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂是可以分散所述催化剂的溶剂，并且优选使用在30℃至100℃的范围内可以蒸发的溶剂。因此，水或醇类溶剂如甲醇、乙醇和丙醇是合适的。
当具有高挥发温度的溶剂(例如，在高于100℃的温度下会蒸发的溶剂)用作具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂时，在电极的制备过程中，电极的密度变得致密，从而难以形成孔，从而导致性能的降低。
此外，由于2-乙氧基乙醇用于组装膜电极组件(MEA)并保持残余的溶剂，因此不适合将2-乙氧基乙醇用作具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂。另外，由于2-乙氧基乙醇的沸点为135℃，该沸点在适合于具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的温度范围之外，因此不适合将2-乙氧基乙醇用作具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂。
所述具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂可以是选自水、甲醇、乙醇、丁醇、1-丙醇和异丙醇中的一种或两种以上。优选地，具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂可以是水或1-丙醇，但不限于此。
在本说明书的一个示例性实施方案中，所述具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂是水。
在本说明书的一个示例性实施方案中，所述具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂是1-丙醇。
在本说明书的一个示例性实施方案中，所述具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂是水和1-丙醇。
在本说明书中，基于100重量份的整个催化剂浆料组合物，具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的含量优选为5重量份至99重量份，但不限于此。具体地，该含量可以为5重量份至30重量份，优选为10重量份至20重量份。
在本说明书的一个示例性实施方案中，包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂可以由2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂组成。
当包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂由2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂组成时，2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂可以满足1:1至2:1的重量比，优选2:1的重量比。当2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂满足2:1的重量比时，干燥时间易于控制，同时保持催化剂的分散性。
在本说明书的一个示例性实施方案中，当包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂由2-乙氧基乙醇和具有1-6个碳原子的基于醇的溶剂组成时，基于100重量份的催化剂浆料组合物，2-乙氧基乙醇的含量优选为30重量份至70重量份，但不限于此。
在本说明书的一个示例性实施方案中，催化剂浆料组合物中的碳粉催化剂、具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂和2-乙氧基乙醇的重量比可满足1:2.5:2.5至1:4.5:4.5。
在本说明书的另一个示例性实施方案中，催化剂浆料组合物中的碳粉催化剂、具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂和2-乙氧基乙醇的重量比可满足1:3:3至1:4:4。
在所述催化剂浆料组合物中，当2-乙氧基乙醇的含量比碳粉催化剂、具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂和2-乙氧基乙醇的上述重量比范围大时，该催化剂浆料组合物处于沉淀状态，因此不能获得稳定的分散状态。此外，当2-乙氧基乙醇的含量比碳粉催化剂、具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂和2-乙氧基乙醇的上述重量比的范围小时，在电极制备后的干燥工序中残留溶剂的量不足，使得可能会产生的问题是，电极不能有效地传递到电解质膜的一面或两面。
在本说明书中，残留溶剂是指通过制备催化剂层的方法制备的催化剂层中所有残留的溶剂，并且溶剂残留量(％)是指以100重量份的催化剂层为基准，催化剂层中所含全部溶剂的重量所占的百分数。
在本说明书的一个示例性实施方案中，基于100重量份的催化剂层，包含在催化剂层中的包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂的含量可以为10重量份至20重量份，优选10重量份至15重量份。
基于100重量份的催化剂层，当包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂的含量大于20重量份时，该溶剂在催化剂层向电解质膜传递过程中突然挥发，从而可能发生破坏电极结构的气阱现象。
基于100重量份的催化剂层，当包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂的含量小于10重量份时，溶剂的残留量不足，从而可能发生的问题是，电极不能有效地向电解质膜的一个或两个表面传递。
在通过将本说明书的催化剂浆料组合物涂布在基材上、然后干燥该催化剂浆料组合物来形成催化剂层的过程中，所述干燥可以在30℃至40℃的范围内进行30分钟或小于30分钟。
通过在30℃至40℃的范围内进行30分钟或小于30分钟的干燥过程，可以将催化剂层中的包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂的含量调节至在10重量份至20重量份的范围内，基于100重量份的催化剂层。
图2示出了如下的结果，其中通过使用2-乙氧基乙醇用于组装膜电极组件(MEA)并保持残留溶剂而制备的燃料电池的情况(实施例1和2)与使用甘油制备的燃料电池的情况(比较例1)相比，表现出相似的性能。
此外，图3示出了，在通过使用2-乙氧基乙醇用于组装膜电极组件(MEA)并保持残留溶剂而制备的膜电极组件(MEA)的情况(实施例1和2)下，与使用甘油制备的膜电极组件(MEA)的情况(比较例1)相比，改善了活化率和饱和率。
在本说明书的一个示例性实施方案中，可以通过使催化剂浆料组合物进行超声处理来进行均质化催化剂浆料组合物，该催化剂浆料组合物是通过将碳粉催化剂添加到溶液中而形成的。
在本说明书中，超声处理可以由尖头型或浴型组成。
在本说明书中，超声处理是指通过向颗粒施加频率为20kHz以上的能量来分散颗粒的行为，在浴型中使用具有相对较低且恒定大小的能量，而在尖头型中可以可变地施加总计约为浴型能量的50倍的高能量。
通常，离聚物通过静电吸引力在溶剂中彼此聚集，因此以粒径为0.01μm至1μm的聚集体形式存在，并且在溶剂中由离聚物的聚集而形成的单位颗粒被称为离聚物簇。当通过超声处理，特别是尖头型或浴型超声处理分散离聚物簇时，大多数离聚物簇被均匀分散，以具有10nm至500nm，优选10nm至300nm的平均粒径。
尖头型超声处理可以进行10分钟至30分钟，但是时间不限于此。浴型超声处理可以进行20分钟至120分钟，优选30分钟至60分钟。
当在上述时间范围内进行超声处理时，可以防止发生局部离聚物聚集现象。当进行超声处理超过上述时间范围时，分散效果相比时间不显著，使得超声处理可能效率低。
为了形成具有均匀结构的催化剂层，离聚物和催化剂中的碳载体之间的足够吸附强度是重要的，并且当通过超声处理将离聚物的粒径调节为较小时，该离聚物可以均匀地被吸附到催化剂中的碳载体上。
在本说明书的一个示例性实施方案中，以催化剂和离聚物分散在溶液中的形式的催化剂浆料组合物保持沉淀状态，从而为了使催化剂浆料组合物能够保持稳定的分散状态，所述方法包括在超声处理步骤之前另外进行催化剂浆料组合物的搅拌。
当所述催化剂浆料组合物处于沉淀状态并且因此不能实现稳定的分散状态时，分散的催化剂的量变化，使得在每部分处催化剂的量和催化剂的分散性存在差异，并且由于沉降在底部的颗粒的聚集而引起粘度随意增加，从而难以获得恒定的物理性能，但是通过搅拌步骤，催化剂颗粒的分散性相对变窄，从而可以防止颗粒的聚集现象并且均匀地保持催化剂浆料的分散状态。
在本说明书的一个示例性实施方案中，通过将催化剂浆料组合物(其通过将所述催化剂浆料组合物进行超声处理而进行了催化剂浆料组合物的均质化)涂布到基材上，然后干燥该催化剂浆料组合物，来形成催化剂层。
对基材没有特别限制，但是可以是基于氟的膜。具体地，所述基材可以选自聚四氟乙烯(PTFE)膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜和聚酰亚胺(PI)膜。
在本说明书的一个示例性实施方案中，可以通过选自喷涂法、丝网印刷法、流延成型法(tape casting method)、涂刷法、狭缝式模头流延法、棒流延法和喷墨法中的一种方法进行涂布。
在本说明书的一个示例性实施方案中，所述催化剂层的厚度为5μm至15μm。
本说明书的一个示例性实施方案提供了一种催化剂层，其包括：碳粉催化剂；离聚物；和包含2-乙氧基乙醇的溶剂，其中基于100重量份的催化剂层中的碳粉催化剂，包含2-乙氧基乙醇的溶剂的含量为10重量份至20重量份。
在所述催化剂层中包括的碳粉催化剂、离聚物和包含2-乙氧基乙醇的溶剂的限定与上述相同。
另外，本说明书的示例性实施方案提供了一种膜电极组件，其包括：阳极催化剂层，阴极催化剂层和设置在所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间的聚合物电解质膜，其中，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的至少一个包括所述催化剂层。
所述膜电极组件还可包括：阴极气体扩散层，其设置在与设置有电解质膜的阴极催化剂层的表面相反的表面上；以及阳极气体扩散层，其设置在与设置有电解质膜的阳极催化剂层的表面相反的表面上。
所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层各自设置在催化剂层的表面上，用作电流导体和反应气体和水移动通过的通道，并具有多孔结构。
对所述气体扩散层没有特别限制，只要该气体扩散层通常为具有导电性和80％以上的孔隙率的导电性基材即可，并且可以包括选自碳纸、碳布和碳毡中的导电性基材。所述导电性基材可以具有30μm至500μm的厚度。当厚度为上述范围内的值时，可以适当地控制机械强度与气体和水的扩散率之间的平衡。该气体扩散层可以通过进一步包括形成在导电性基材的一个表面上的微孔层来形成，并且该微孔层可以通过包括基于碳的材料和基于氟的树脂来形成。该微孔层可以通过促进存在于催化剂层中的过量湿气的排出，来抑制溢流现象的发生。
作为基于碳的材料，可以使用选自石墨、炭黑、乙炔黑、Denka炭黑、科琴黑(Ketjenblack)、活性炭、中孔碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角、碳纳米环、碳纳米线、富勒烯(C60)和Super P中的一种或两种以上的混合物，但是基于碳的材料不限于此。
作为基于氟的树脂，可以使用选自聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚乙烯醇、乙酸纤维素、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯的共聚物(PVdF-HFP)和丁苯橡胶(SBR)中的一种或两种以上的混合物，但基于氟的树脂不限于此。
作为通过使用催化剂浆料组合物形成催化剂层的方法，可以使用本领域已知的典型方法，例如，可以通过将催化剂浆料组合物涂布在气体扩散层上并使其干燥来形成催化剂层。在这种情况下，还可以通过顺序涂布和干燥具有不同离聚物含量的催化剂浆料组合物来形成多个催化剂层。
在这种情况下，将催化剂组合物涂布到气体扩散层上的方法的实例包括诸如印刷、流延成型、狭缝式模头流延、喷涂、辊涂、刮涂、旋涂、喷墨涂布或刷涂的方法，但是不限于此。优选地，可以通过使用催化剂浆料组合物的流延法来形成膜，或着将离子导电聚合物浸渍到多孔载体中的孔中，来将催化剂层制备为增强膜。
所述气体扩散层可以具有200μm至500μm的平均厚度。在这种情况下，存在的优点是，从使反应气体通过气体扩散层的传递阻力最小化且在气体扩散层中含有适当湿气的观点出发，能够实现最佳状态。
图1是示意性地示出了膜电极组件的结构的视图，并且该膜电极组件可以包括电解质膜10，以及设置为彼此面对并且电解质膜10插入其间的阴极50和阳极51。具体地，阴极可以包括从电解质膜10开始依次设置的阴极催化剂层20和阴极气体扩散层40，阳极可以包括从电解质膜10开始依次设置的阳极催化剂层21和阳极气体扩散层41。
此外，本说明书的示例性实施方案提供了一种燃料电池，其包括上述膜电极组件。
发明模式
在下文中，将参考用于具体描述本说明书的实施例详细描述本说明书。然而，可以以各种形式修改根据本说明书的实施例，并且不解释为将本说明书的范围限于以下描述的实施例。提供本说明书的实施例以向本领域普通技术人员更完整地解释本说明书。
<实施例>
<实施例1>
将3M 825离聚物加入到以3:4的重量比混合了1-丙醇和2-乙氧基乙醇的溶液中。此后，通过加入由Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.出售的TEC 10V50E碳粉催化剂制备催化剂浆料组合物，从而离聚物和碳粉催化剂的重量比为0.66:1。在这种情况下，在催化剂浆料组合物中，碳粉催化剂:1-丙醇:2-乙氧基乙醇的重量比为1:3:4。在使用磁力搅拌器将催化剂浆料组合物在室温下搅拌1小时，然后使用浴型超声波分散机在室温下分散1小时之后，将温度降低至50℃以下的状态，通过使用尖头型超声波分散机将催化剂浆料组合物分散15分钟。通过使用催化剂浆料组合物，在无尘工作台中在涂布机的水平板上用刮刀使催化剂层被流延到PTFE膜上后，通过在35℃下将流延的催化剂层干燥30分钟来最终制备催化剂层。
<实施例2>
除了将碳粉催化剂、1-丙醇和2-乙氧基乙醇以1:3:3的重量比混合之外，以与实施例1相同的方式制备催化剂层。
<比较例1>
除了使用甘油代替2-乙氧基乙醇，并且将碳粉催化剂、1-丙醇和甘油以1:6.4:0.5的重量比混合之外，以与实施例1相同的方式制备催化剂浆料组合物。通过使用所制备的催化剂浆料组合物，在无尘工作台中在涂布机的水平板上用刮刀使催化剂层被流延到PTFE膜上后，通过将流延的催化剂层在35℃下干燥30分钟以及在140℃下干燥30分钟来最终制备催化剂层。
<比较例2>
除了电极催化剂层被流延到PTFE膜上，然后在35℃下干燥45分钟以外，以与实施例2相同的方式制备催化剂层。
<比较例3>
除了将碳粉催化剂、1-丙醇和2-乙氧基乙醇以1:1:5的重量比混合之外，以与实施例1相同的方式制备电极。
为了确认溶剂残留量(％)，通过测量所制备的电极的重量，然后在140℃的烘箱中干燥该电极过夜，将残留的溶剂完全除去。之后，从基材去除电极，然后测量基材的重量。溶剂残留量(％)可通过以下等式1确定。
[等式1]
Figure GDA0003634461960000101
在下面表1中示出了根据实施例1和2以及比较例1至3的催化剂层的传递状态和溶剂残留量(％)。
[表1]
Figure GDA0003634461960000111
从表1中可以看出，由于通过根据本说明书的制备催化剂层的方法制备的催化剂层满足碳粉催化剂、1-丙醇和2-乙氧基乙醇的特定重量比，因此催化剂层可以通过将溶剂残留量调整为10％至20％而稳定地制备，同时干燥时间小于使用甘油代替2-乙氧基乙醇的比较例1的干燥时间。
溶剂残留量为5％的比较例2中的催化剂层没有有效地传递到电解质膜的一个表面上，在催化剂浆料组合物中的碳粉催化剂、碳原子数为1至6的基于醇的溶剂和2-乙氧基乙醇的重量比不满足1:2.5:2.5至1:4.5:4.5的比较例3的情况下，催化剂浆料组合物为沉淀状态，因此无法实现稳定的分散状态。
<实验例1>
对应用了实施例1和2以及比较例1中的电极催化剂层的膜电极组件(MEA)进行了评价。使用基于sPEEK的烃类聚合物膜作为电解质膜，将由SGL Carbon Group制备的10BB用作气体扩散层(GDL)，并且使用厚度在380μm至420μm范围内的膜电极组件。GDL的压缩率设定为25％，并且为了维持该压缩率而使用玻璃纤维片。通过制备具有25cm2的活性面积的膜电极组件来评价单位电池单元(unit battery cell)。通过在阳极和阴极中使用在相同实施例中的电极来评估单位电池单元。使用由Scribner Associates Inc.制备的PEMFC站装置作为评估装置，通过将电池温度保持在70℃并且将湿度条件保持在RH 50％来评估性能，并且其结果在图2中示出。
根据图2，可以看出，通过根据本说明书的制备膜电极组件(MEA)的方法制备的电极(实施例1和2)与使用甘油代替2-乙氧基乙醇的比较例1在性能上几乎没有差异。
<实验例2>
在0.6v下以5分钟的间隔和在0.3V下以10秒的间隔测量和评价应用了实施例1和2以及比较例1中的电极催化剂层的膜电极组件(MEA)的活化率。使用基于sPEEK的烃类聚合物膜作为电解质膜，将由SGL Carbon Group制备的10BB用作气体扩散层(GDL)，并且使用厚度在380μm至420μm范围内的膜电极组件。GDL的压缩率设定为25％，并且为了维持该压缩率而使用玻璃纤维片。通过制备具有25cm2的活性面积的膜电极组件来评价活化率。通过在阳极和阴极中使用在相同实施例中的电极来评估活化率。使用由Scribner Associates Inc.制备的PEMFC站装置作为评估装置，通过将电池温度保持在70℃并且将湿度条件保持在RH100％来评估活化率，并且其结果在图3中示出。
根据图3，可以看出，通过根据本说明书的制备膜电极组件(MEA)的方法制备的电极(实施例1和2)比使用甘油代替2-乙氧基乙醇的比较例1具有更高的初始活化率和明显更高的饱和率。

Claims (8)

1.一种制备催化剂层的方法，该方法包括：
制备溶液，所述溶液包含：离聚物；和溶剂，该溶剂包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂；
通过向所述溶液中加入碳粉催化剂形成催化剂浆料组合物；和
通过将所述催化剂浆料组合物涂布到基材上，然后干燥所述催化剂浆料组合物来形成催化剂层，
其中，在所述催化剂浆料组合物中碳粉催化剂、具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂和2-乙氧基乙醇的重量比为1:2.5:2.5至1:4.5:4.5，
基于100重量份的所述催化剂层，所述催化剂层中包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂的含量为10重量份至20重量份，以及
所述干燥在30℃至40℃的范围内进行30分钟或小于30分钟。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂是选自甲醇、乙醇、丁醇、1-丙醇和异丙醇中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在形成所述催化剂浆料组合物之后且在形成所述催化剂层之前，通过对所述催化剂浆料组合物进行超声处理来均质化所述催化剂浆料组合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离聚物是基于氟的聚合物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述催化剂层的厚度为5μm至15μm。
6.一种催化剂层，其包括：
碳粉催化剂；
离聚物；和
溶剂，该溶剂包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂，
其中，基于100重量份的催化剂层，包含2-乙氧基乙醇和具有1至6个碳原子的基于醇的溶剂的溶剂的含量为10重量份至20重量份。
7.一种膜电极组件，其包括：
阳极催化剂层；
阴极催化剂层；和
设置在所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层之间的聚合物电解质膜，
其中，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的至少一个包含根据权利要求6所述的催化剂层。
8.一种燃料电池，其包括根据权利要求7所述的膜电极组件。
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