CN116472624A - 用于燃料电池的催化剂层、其制备方法以及包括该催化剂层的膜-电极组件和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的催化剂层、制备该催化剂层的方法以及包括该催化剂层的膜‑电极组件和燃料电池。更具体地，本发明涉及一种用于燃料电池的催化剂层，该催化剂层包含催化剂、散热材料和离聚物，并且具有可以将所述催化剂层中由放热反应产生的热量有效地排出至外部和可以抑制由催化剂层中的温度升高引起的膜‑电极组件劣化的现象的效果；本发明涉及制备所述催化剂层的方法；以及包括所述催化剂层的膜‑电极组件和燃料电池。

Description

用于燃料电池的催化剂层、其制备方法以及包括该催化剂层 的膜-电极组件和燃料电池
技术领域
本申请要求于2020年12月31日提交的韩国专利申请No.10-2020-0189933的优先权，该专利申请的全部公开内容通过引用并入本说明书中。
本发明涉及一种用于燃料电池的催化剂层、制备该催化剂层的方法以及包括该催化剂层的膜-电极组件和燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种发电系统，其将如甲醇、乙醇和天然气的烃类物质中包含的氢和氧的化学反应能直接转化为电能。这种燃料电池的代表性实例可以为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC作为下一代能源正在引起关注，并且由于如环境友好的印象的优势，正在积极进行PEMFC的商业化，特别是在与汽车相关的领域中的研究。
在上述燃料电池系统中基本上发电的膜-电极组件(MEA)具有以下结构：其中设置有阳极(也称为燃料电极或氧化电极)和阴极(也称为空气电极或还原电极)，在它们之间插入包含氢离子导电聚合物的聚合物电解质膜。各个电极由催化剂、离聚物、溶剂和添加剂构成，并且在上述构成要素中的催化剂是决定燃料电池的活性和耐久性的重要因素。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种电极的催化剂层，该催化剂层可以抑制由在催化剂层中发生的放热反应而引起的膜-电极组件的劣化。
本发明的另一目的是提供一种包括上述催化剂层的膜-电极组件。
本发明的又一目的是提供一种包括上述膜-电极组件的燃料电池。
本发明的再一目的是提供一种制备上述催化剂层的方法。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的一个实施方案的用于燃料电池的催化剂层包含催化剂、散热材料和离聚物。
此时，所述催化剂可以包括载体和负载在所述载体上的金属粒子。
所述载体可以包括选自炭黑、科琴黑、多孔碳、碳纤维、碳纳米管、碳纳米角和石墨烯中的任意一种或多种。
所述金属粒子可以包含铂或铂基合金。
所述散热材料可以无规地分布在所述催化剂层内，同时与所述催化剂相邻。
所述散热材料可以包括选自陶瓷纳米粒子、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚乙炔中的任意一种或多种。
所述陶瓷纳米粒子可以包含选自氮化硼、氮化铝、氧化铝、碳化硅和氧化铍中的任意一种或多种，并且所述陶瓷纳米粒子的平均直径可以为10nm至500nm。
所述催化剂层的厚度可以为1μm至15μm。
根据本发明的另一实施方案的膜-电极组件包括：阳极；阴极；和设置在所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜，并且所述阳极和所述阴极中的一个或多个包括所述催化剂层。
根据本发明的另一实施方案的燃料电池包括上述膜-电极组件。
根据本发明的另一实施方案的制备用于燃料电池的催化剂层的方法包括：制备电极浆料的步骤，所述电极浆料包含催化剂、散热材料、离聚物和分散介质；用所述电极浆料涂布基材以形成浆料层的步骤；和从所述浆料层去除所述分散介质的步骤。
在制备电极浆料的步骤中，相对于所述电极浆料的总重量，所述分散介质的含量可以为80重量％至95重量％。
在制备电极浆料的步骤中，相对于所述电极浆料的总重量，所述散热材料的含量可以为0.1重量％至15重量％。
在制备电极浆料的步骤中，所述催化剂和所述散热材料的重量比可以为5：1至20：1，所述催化剂和所述离聚物的重量比可以为10：1至2：3。
所述制备电极浆料的步骤包括进行均匀混合的步骤，并且在所述进行均匀混合的步骤中，可以使用选自球磨机、粉末混合器和共振声混合器中的任意一种来进行混合。
有益效果
由于本发明的催化剂层包含散热材料，因此，所述催化剂层具有的效果是，可以将由于催化剂层中的放热反应产生的热量排出至外部，并且可以抑制由催化剂层中的温度升高引起的膜-电极组件的劣化现象。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案制备的电极的TEM照片。
图2是根据本发明的一个实施方案制备的电极的SEM照片。
图3是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的膜-电极组件的横截面图。
图4是示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池的整体配置的示意图。
图5示出了根据本发明的实施例和比较例的催化剂耐久性的评价结果。
具体实施方式
在下文中，将更详细地描述本发明。
本发明的摘要意在描述本发明范围内的常规配置，而不意在限制本发明的范围。此外，本发明的摘要不意在完全公开本发明的全部内容或实施方案。
本发明的详细描述和具体实施方案意在通过公开本发明的实施方案来描述本发明，并且不意在限制本发明的范围。此外，应当注意的是，本文中公开的各种实施方案不意在排除具有不同特征的其它实施方案或由具有公开特征的实施方案的组合构成的其它实施方案。
本发明中使用的术语“优选的”或“优选地”表示在特定条件下具有特定优势的本发明的实施方案。然而，在相同条件下或不同条件下，其它实施方案也可以是优选的。此外，应当注意的是，对于一个或多个优选实施方案的描述不意在证明其它实施方案是没有用的，或者不意在排除本发明范围内的其它实施方案。
本说明书中使用的术语“包括”用于列出对本发明有用的材料、组成、装置和方法，并且不意在将本发明的范围限制于所列出的实例。
根据本发明的一个实施方案的用于燃料电池的催化剂层包含催化剂、散热材料和离聚物。
所述催化剂可以包含可以用作氢氧化反应或氧还原反应中的催化剂的任意金属粒子，并且优选地，所述催化剂可以包含铂基金属。该铂基金属可以包含选自铂(Pt)、钯(Pd)、钌(Ru)、铱(Ir)、锇(Os)、铂-M合金(其中，M表示选自钯(Pd)、钌(Ru)、铱(Ir)、锇(Os)、镓(Ga)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、锌(Zn)、锡(Sn)、钼(Mo)、钨(W)、镧(La)和铑(Rh)中的任意一种或多种)以及它们的组合。更优选地，可以使用选自上述铂基催化剂金属族中的两种或更多种金属的组合；然而，铂基金属不限于此，并且可以使用在本发明技术领域中可以使用的任意铂基催化剂金属而没有限制。
铂基合金的实例包括：(i)二元合金，如Pt-Co、Pt-Pd、Pt-Mn、Pt-Sn、Pt-Mo、Pt-Cr、Pt-W、Pt-Ir、Pt-Ru、Pt-Ni和Pt-Fe；(ii)三元合金，如Pt-Ru-W、Pt-Ru-Ni、Pt-Ru-Mo、Pt-Ru-Ir、Pt-Co-Mn、Pt-Co-Ni、Pt-Co-Fe、Pt-Co-Ir、Pt-Co-S、Pt-Co-P、Pt-Fe-Ir、Pt-Fe-S、Pt-Fe-P、Pt-Au-Co、Pt-Au-Fe、Pt-Au-Ni、Pt-Ni-Ir和Pt-Cr-Ir；和(iii)四元合金，如Pt-Ru-Rh-Ni、Pt-Ru-Sn-W和Pt-Ru-Ir-Ni；然而，铂基合金不限于这些实例。
催化剂的金属粒子和散热材料可以在非负载状态下使用；然而，当催化剂的金属粒子负载在载体上时，可以防止由金属粒子和散热材料的团聚现象引起的表面积的减小。因此，在所述催化剂层中，催化剂可以包括载体和负载在载体上的金属粒子，并且从催化剂层的催化剂效率和散热材料的散热效率的角度来看，优选的是散热材料与催化剂相邻的同时无规地分布在催化剂层内。
所述载体可以选自如碳基载体、氧化锆、氧化铝、二氧化钛、二氧化硅和二氧化铈的多孔无机氧化物；沸石；等。所述碳基载体可以选自Super P、碳纤维、碳片、炭黑、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管(CNT)、碳球、碳带、富勒烯、石墨烯、活性炭以及这些中的一种或多种的组合；然而，碳基载体不限于此，并且可以使用在本发明的技术领域中可以使用的任意载体而没有限制。优选地，当载体包含选自炭黑、科琴黑、碳纳米管和石墨烯中的一种材料作为碳基材料时，所述载体可以有助于进一步促进与催化剂的电子交换。
当金属粒子负载在载体上时，为了表现适当的催化效果，优选的是载体具有50m2/g以上或50m2/g至1200m2/g的比表面积和10nm至300nm或20nm至200nm的平均粒径。
负载在载体上的催化剂金属粒子和散热材料可以位于载体的表面上，或者可以在填充载体的内部孔的同时使其渗透到载体中。
所述散热材料有助于将在催化剂表面上发生的放热反应所产生的热能有效地传递至催化剂层的外部。所述散热材料可以具体地包含选自陶瓷纳米粒子、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚乙炔中的任意一种或多种。优选地，在使用聚乙炔的情况下，当将散热材料与上述陶瓷纳米粒子一起使用时，可以进一步增强散热功能。
所述陶瓷纳米粒子可以具体为选自氮化硼、氮化铝、氧化铝、碳化硅和氧化铍中的任意一种或多种。将陶瓷纳米粒子负载在载体上，增加了催化剂层的表面积，具有优异的导热性，并且具有容易将热量传递至催化剂层的外部的效果和抑制催化剂层内的水分蒸发的效果。因此，所述陶瓷纳米粒子优选地具有10nm至500nm的平均直径，并且当平均直径大于上述范围时，由大粒子引起的表面积的增加可以忽略不计，由此，会存在不太可能适当地赋予散热效果的问题。当平均直径小于上述范围时，会在粒子之间或在催化剂附近等发生团聚现象，并且会存在催化剂的功能反而劣化的问题。
此外，将要使用的散热材料可以包含重均分子量(Mw)为3,500,000至10,500,000的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。UHMWPE包含在催化剂层中并且增加了催化剂层的拉伸强度。UHMWPE具有防水性能，起到容易将催化剂层中产生的水分排出至外部的作用，并且还起到通过长分子链将催化剂层中产生的热量快速传递至外部的作用。
当包含聚乙炔作为散热材料时，可以同时实现优异的导电效果和散热效果。具体地，当聚乙炔具有重均分子量(Mw)为20，000至1,000,000的长分子链时，有利于有效地排出催化剂层内部的热量；然而，重均分子量不限于上述分子量。
所述离聚物可以为具有如质子的阳离子交换基团的阳离子导体，或者可以为具有如羟基离子、碳酸根离子或碳酸氢根离子的阴离子交换基团的阴离子导体。关于离聚物，可以使用通常在燃料电池中使用的任意离聚物。
所述阳离子交换基团可以为选自磺酸基、羧基、硼酸基、磷酸基、酰亚胺基、磺酰亚胺基、磺酰胺基和它们的组合中的任意一种，并且阳离子交换基团通常可以为磺酸基或羧基。
所述阳离子导体包含上述阳离子交换基团，实例包括：在主链中包含氟的氟类聚合物；烃类聚合物，如苯并咪唑、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚缩醛、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸树脂、聚酯、聚砜、聚醚、聚醚酰亚胺、聚酯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚芳醚砜、聚磷腈和聚苯基喹喔啉；部分氟化聚合物，如聚苯乙烯-接枝-乙烯四氟乙烯共聚物和聚苯乙烯-接枝-聚四氟乙烯共聚物；和磺酰亚胺。
更具体地，当所述阳离子导体为氢离子阳离子导体时，上述聚合物可以在侧链中包含选自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基和它们的衍生物的阳离子交换基团，并且其具体实例包括，但不限于：氟类聚合物，包括聚(全氟磺酸)、聚(全氟羧酸)、四氟乙烯与包含磺酸基的氟乙烯基醚的共聚物、脱氟硫化聚醚酮以及它们的混合物；和烃类聚合物，包括磺化聚酰亚胺(S-PI)、磺化聚芳醚砜(S-PAES)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、磺化聚苯并咪唑(SPBI)、磺化聚砜(S-PSU)、磺化聚苯乙烯(S-PS)、磺化聚磷腈、磺化聚喹喔啉、磺化聚酮、磺化聚苯醚、磺化聚醚砜、磺化聚醚酮、磺化聚苯砜、磺化聚苯硫醚、磺化聚苯硫醚砜、磺化聚苯硫醚砜腈、磺化聚亚芳基醚、磺化聚亚芳基醚腈、磺化聚亚芳基醚醚腈、聚亚芳基醚砜酮和它们的混合物。
此外，在阳离子导体中，在侧链末端的阳离子交换基团中的H可以被Na、K、Li、Cs或四丁基铵取代。当在侧链末端的阳离子交换基团中的H被Na取代时，可以通过在碳结构组合物的制备过程中使用NaOH来实现取代，并且当H被四丁基铵取代时，可以通过使用四丁基铵氢氧化物来实现取代。K、Li或Cs也可以通过使用适当的化合物来取代。上述取代方法在相关领域中是已知的，因此，在本说明中将不再重复详细描述。
阳离子导体可以以单一物质或混合物的形式使用，并且为了选择性地进一步提高与离子交换膜的粘合强度的目的，阳离子导体也可以与非导电化合物一起使用。关于阳离子导体的用量，优选在调节用量以适合使用目的之后使用阳离子导体。
作为非导电化合物，可以使用选自聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯/四氟乙烯(ETFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、十二烷基苯磺酸和山梨糖醇中的任意一种或多种。
所述阴离子导体是能够转移如羟基离子、碳酸根离子或碳酸氢根离子的阴离子的聚合物。阴离子导体以氢氧化物或卤化物(通常为氯化物)的形式商购，并且阴离子导体可以用于工业水纯化、金属分离、碳结构处理等。
作为阴离子导体，通常可以使用掺杂有金属氢氧化物的聚合物，具体地，可以使用均掺杂有金属氢氧化物的聚(醚砜)、聚苯乙烯、乙烯基类聚合物、聚(氯乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚(四氟乙烯)、聚(苯并咪唑)、聚(乙二醇)等。
在上述离聚物中，优选地使用氟类聚合物。所述氟类聚合物可以为，例如，全氟磺酸(PFSA)类聚合物或全氟羧酸(PFCA)类聚合物；然而，氟类聚合物不限于此。关于全氟磺酸类聚合物，可以使用Nafion(DuPont de Nemours，Inc.)，关于全氟羧酸类聚合物，可以使用Flemion(Asahi Glass Co.，Ltd.)。
所述离聚物的重均分子量可以为240g/mol至200,000g/mol，具体地为240g/mol至10,000g/mol。
根据本发明的一个实施方案的催化剂层的厚度为1μm至15μm。当催化剂层的厚度与上述范围相比较小时，会存在催化剂层的耐久性显著劣化的问题。当催化剂层的厚度与上述范围相比较大时，会存在催化剂层的传质降低，从而性能劣化的问题，或者燃料电池的厚度变厚。
根据本发明的一个实施方案的膜-电极组件包括：设置为彼此面对的阳极和阴极；以及设置在所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜，并且选自阳极、阴极和两个电极中的任意一个包括上述用于燃料电池的催化剂层作为电极催化剂层。
图3是示意性地示出上述膜-电极组件的横截面图。为了参照图3进行描述，膜-电极组件100包括上述离子交换膜50和分别设置在离子交换膜50的两个表面上的上述电极20、20′。电极20、20′包括电极基材40、40′和在电极基材40、40′的表面上形成的催化剂层30、30′，并且在电极基材40、40′和催化剂层30、30′之间还可以包括包含如碳粉或炭黑的导电微粒的微孔层(图中未示出)，以便于在电极基材40、40′处的质量扩散。
在膜-电极组件100中，将设置在离子交换膜50的一个表面上并且由通过基材40输送至催化剂层30的燃料引起氧化反应以产生氢离子和电子的电极20称为阳极，并将设置在离子交换膜50的另一表面上并且由通过离子交换膜50供应的氢离子与通过电极基材40′输送至催化剂层30′的氧化剂引起还原反应以产生水的电极20′称为阴极。
选自阳极20、阴极20′和这两者中的任意一个电极20、20′的催化剂层30、30′包括上述根据本发明的一个实施方案的电极。
作为电极基材40、40′，可以使用多孔导电基材，使得可以实现氢或氧的顺利供应。可以使用的代表性实例包括碳纸、碳布、碳毡和金属布(由织物形式的金属布构成的多孔膜，或者其中在由聚合物纤维形成的布的表面上形成金属膜的产品)；然而，电极基材不限于此。此外，关于电极基材40、40′，优选地使用已用氟类树脂进行防水处理的电极基材，因为可以防止由燃料电池运行过程中产生的水引起的反应物扩散效率的降低。作为氟类树脂，可以使用聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚六氟丙烯、聚全氟烷基乙烯基醚、聚全氟磺酰基氟化烷氧基乙烯基醚、氟化乙烯丙烯、聚氯三氟乙烯或它们的共聚物。
根据本发明的一个实施方案的燃料电池可以为包括上述膜-电极组件并且使用，例如，氢气作为燃料的燃料电池。
图4是示出燃料电池的整体结构的示意图。
参照图4，燃料电池200包括：燃料供应单元210，供应通过混合燃料和水得到的混合燃料；重整单元220，重整所述混合燃料以产生包含氢气的重整气体；堆叠体230，在该堆叠体中，从重整单元220供应的包含氢气的重整气体与氧化剂引起电化学反应并且产生电能；和氧化剂供应单元240，向重整单元220和堆叠体230供应氧化剂。
堆叠体230包括多个单元电池，所述多个单元电池诱导从重整单元220供应的包含氢气的重整气体与从氧化剂供应单元240供应的氧化剂的氧化/还原反应，并且产生电能。
各个单元电池是指发电的单元电池，并且单元电池可以包括：上述膜-电极组件，使包含氢气的重整气体和氧化剂中和氧氧化/还原；和隔板(也称为双极板；下文中称为“隔板”)，用于向膜-电极组件供应包含氢气的重整气体和氧化剂。隔板设置在膜-电极组件的两侧的中心处。此时，设置在堆叠体的各自最外侧的隔板可以具体地称为端板。
所述隔板中的端板中的一个可以配备有：管状第一供应管231，用于注入从重整单元220供应的包含氢气的重整气体；和管状第二供应管232，用于注入氧气，而另一端板可以配备有：第一排出管233，用于将最终在多个单元电池中残留的未反应的包含氢气的重整气体排出至外部；和第二排出管234，用于将最终在上述单元电池中残留的未反应的氧化剂排出至外部。
根据本发明的一个实施方案的制备催化剂层的方法包括：制备包含催化剂、散热材料、离聚物和分散介质的电极浆料的步骤；将所述电极浆料涂布在基材上以形成浆料层的步骤；和从所述浆料层中去除所述分散介质的步骤。
根据本说明书的一个实施方案，所述分散介质可以为选自水、亲水性溶剂、有机溶剂和它们中的一种或多种的混合物的溶剂。
所述亲水性溶剂可以为具有选自以下的一个或多个官能团的溶剂：包含具有1至12个碳原子的直链或支链的饱和或不饱和烃的醇；酮、醛、碳酸酯、羧酸酯、羧酸、醚和酰胺，并且这些官能团可以在主链的至少一部分中包含脂肪族或芳香族环状化合物。醇的具体实例包括甲醇、乙醇、异丙醇、乙氧基乙醇、正丙醇、丁醇、1，2-丙二醇、1-戊醇、1，5-戊二醇和1，9-壬二醇；酮的实例包括庚酮和辛酮；醛的实例包括苯甲醛和甲基苯甲醛；酯可以为戊酸甲酯或2-羟基丙酸乙酯；酯的实例包括戊酸甲酯和2-羟基丙酸乙酯；羧酸的实例包括戊酸和庚酸；醚的实例包括甲氧基苯和二甲氧基丙烷；酰胺的实例包括丙酰胺、丁酰胺和二甲基乙酰胺。
有机溶剂可以选自N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃和它们的混合物。
在制备电极浆料的步骤中，相对于电极浆料的总重量，分散介质可以以80重量％至95重量％的比例掺入。当比例小于80重量％时，固体含量会太高，并且可能具有在电极涂布时开裂和由高粘度引起的不良分散的问题。当比例大于95重量％时，电极活性会不利。
在制备电极浆料的步骤中，相对于电极浆料的总重量，散热材料的含量优选地为0.1重量％至15重量％。当相对于电极浆料的总重量，散热材料的含量小于0.1重量％时，可能存在散热材料不能容易地有效完成散热功能的问题，并且当相对于电极浆料的总重量，散热材料的含量大于15重量％时，可能存在的问题是，如催化剂被导电性差的散热材料包围，或者离聚物包围散热材料而不是催化剂，使得在催化剂表面上不能顺利地发生化学反应，这引起催化剂层的电阻增加。
此外，在制备电极浆料的步骤中，在催化剂的效率方面，在与催化剂的关系中，散热材料的重量优选小于催化剂的重量，更具体地，催化剂和散热材料的重量比优选地为5：1至20：1。当与上述重量范围相比，散热材料的比例高时，催化剂的量小，并且燃料电池性能会劣化。当与上述重量范围相比，散热材料的比例低时，会存在由催化剂产生的热量不能有效地排出至外部的问题。
在制备电极浆料的步骤中，催化剂和离聚物的重量比优选地为10：1至2：3；然而，重量比不限于此。当相对于催化剂，离聚物的含量小于上述范围时，可能存在不能适当地实现离子向电解质膜的转移的问题，并且当相对于催化剂，离聚物的含量大于上述范围时，可能存在气体的渗透受阻和膜-电极组件的性能劣化的问题。
制备电极浆料的步骤包括进行均匀混合的步骤，并且在进行均匀混合的步骤中，可以使用选自球磨机、粉末混合器和共振声混合器中的任意一种来进行混合。可以通过使用选自球磨机、粉末混合器和共振声混合器中的任意一种来进行包含催化剂、散热材料、离聚物和分散介质的催化剂浆料的均匀混合，并且优选地，可以通过组合使用均匀混合器和共振声混合器来进行混合。具体地，所述共振声混合器通过向催化剂浆料组合物施加低频声能来进行共振振动混合。
例如，当使用Resodyn公司的共振声混合器时，通过填充有催化剂浆料组合物的容器的周期性线性位移来施加声能，并且为了此目的，使用大量机械或电子换能器的布置。更具体地，共振声混合器包括：将振动和加速度输送至容器的振荡器驱动；和如弹簧的可变弹性构件。
共振振动混合可以进行30秒至30分钟，并且可以具体地进行1分钟至10分钟的短时间。当共振振动混合的时间小于30秒时，会不能充分实现混合，或者会不能确认涂布特性。当共振振动混合的时间超过30分钟时，样品或组合物会变化。
根据制备催化剂层的步骤的一个具体实施方案，将电极浆料涂布在基材上以形成浆料层。当将电极浆料涂布在基材上时，优选地将电极浆料组合物连续或间歇地输送至涂布机，然后均匀地涂布在基材上，以便得到1μm至15μm的干燥厚度。
更具体地，根据电极浆料组合物的粘度，通过泵将电极浆料组合物连续输送至如模具涂布机、凹版涂布机、棒涂布机或逗号涂布机的涂布机，然后通过使用诸如槽模涂布、棒涂布、逗号涂布、丝网印刷、喷涂、刮刀涂布和刷涂的方法将输送的电极浆料组合物均匀地涂布在贴膜上，以便得到1μm至15μm的催化剂层的干燥厚度。将涂布的电极浆料组合物通过保持在恒定温度下的干燥炉，使得分散介质蒸发。
当将浆料层涂布至厚度小于1μm的时，催化剂含量会小，并且活性会降低。当将浆料层涂布至厚度超过15μm时，离子和电子的传质会不顺利，并且电阻会增加，同时性能劣化。
干燥步骤可以包括在25℃至1200℃下干燥12小时或更长时间。当干燥温度低于25℃并且干燥时间小于12小时时，可能存在不能形成充分干燥的催化剂层的问题。当在超过120℃的温度下进行干燥时，可能发生催化剂层的开裂等。
然而，对电极浆料的涂布和干燥方法不限于上述方法。
选择性地，在将浆料层干燥以产生催化剂层的步骤之后，可以进一步包括将干燥的催化剂层和基材切割成所需要的尺寸并用离子交换膜接合这些层的步骤。
催化剂的类型、散热材料的类型和组合物的比例已经在上面描述过，并且可以根据形成催化剂层的常规方法进行步骤的任意部分。
在下面的描述中，将提出本发明的具体实施例。然而，下面描述的实施例仅用于具体说明或解释本发明，而不意在限制本发明。此外，本领域普通技术人员可以充分地从技术上推测本说明书中没有描述的任意内容，并且在此将不再重复对其进一步的描述。
[制备例：制备包含散热材料的催化剂层]
<实施例>
1)将9g的铂催化剂和1g的作为散热材料的氮化硼(h-BN)分散在水和正丙醇的混合溶液中。
2)将40g的10％的PFSA离聚物(EW725，S.M.Chemical Supplies Co.，Ltd.)溶液和混合的催化剂浆料加入到其中分散有催化剂和散热材料的溶液中，并且用共振声混合器处理该混合物5分钟，然后用均相混合器分散30分钟，以制备均匀混合的催化剂浆料。
3)在洁净工作台中的涂布器的水平板上，用刮刀将催化剂浆料浇铸在PTFE膜上作为催化剂层，然后在60℃下干燥3分钟，最终制得催化剂层。
<比较例>
除了不加入散热材料，并且将10g的铂催化剂分散在水和正丙醇的混合溶液中之外，以与实施例相同的方式制备催化剂层。
[实验例：评价催化剂层的物理性能]
图1是通过透射电镜(TEM)拍摄的由制备例制备的实施例的催化剂层的照片，并且从图1可以确认，散热材料(h-BN)分布在催化剂附近，而离聚物包围该催化剂。由此可以看出，散热材料无规地分布在催化剂层附近。
图2是对将包含散热材料的实施例的包括催化剂层的电极涂布在离型膜上之后制备的膜-电极组件进行SEM截面进行分析得到的结果。大多数散热材料以粒子的形式无规地存在，并且也存在粒子的团聚体。在图2中，催化剂层的散热材料部分用圆圈表示，由此可以确认，散热材料的一部分存在于电极层内部。
在燃料电池的高温操作过程中，发生燃料电池的反应热、产生的自由基量的增加、催化剂的尺寸增加以及载体的腐蚀。
图5是使用DOE(美国能源部)催化剂耐久性评价方案来评价包括在上述制备例中制备的实施例和比较例的催化剂层的膜-电极组件的耐久性而得到的曲线图，该曲线图示出了包括实施例的膜一电极组件的初始性能(BOL)和10,000次循环后的性能。
参照图5，可以确认，加入有根据本发明的实施例的散热材料的电极(实施例)有效地排出电池内部的热量，并且在10，000次循环后表现出优异的耐久性能。
上面已详细描述了本发明的优选实施方案；然而，本发明的权利范围不限于此，并且应当注意，本领域普通技术人员使用如所附权利要求书中限定的本发明的基本概念所进行的各种修改和改进也包括在本发明的权利范围内。
[附图标记说明]
20、20′：电极
30、30′：催化剂层
40、40′：电极基材
50：离子交换膜
100：膜-电极组件
200：燃料电池
210：燃料供应单元
220：重整单元
230：堆叠体
231：第一供应管
232：第二供应管
233：第一排出管
234：第二排出管
240：氧化剂供应单元

Claims (17)

1.一种用于燃料电池的催化剂层，该催化剂层包含催化剂、散热材料和离聚物。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂层，其中，所述催化剂包括载体和负载在所述载体上的金属粒子。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的催化剂层，其中，所述载体包含选自炭黑、科琴黑、多孔碳、碳纤维、碳纳米管、碳纳米角和石墨烯中的任意一种或多种。
4.根据权利要求2所述的用于燃料电池的催化剂层，其中，所述金属粒子包含铂或铂基合金。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂层，其中，所述散热材料无规地分布在所述催化剂层内，同时与所述催化剂相邻。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂层，其中，所述散热材料包含选自陶瓷纳米粒子、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚乙炔中的任意一种或多种。
7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的催化剂层，其中，所述陶瓷纳米粒子包含选自氮化硼、氮化铝、氧化铝、碳化硅和氧化铍中的任意一种或多种。
8.根据权利要求6所述的用于燃料电池的催化剂层，其中，所述陶瓷纳米粒子具有10nm至500nm的平均直径。
9.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂层，其中，所述催化剂层具有1μm至15μm的厚度。
10.一种膜-电极组件，包括：
阳极；
阴极；和
设置在所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜，
其中，所述阳极和所述阴极中的一个或多个包括根据权利要求1至9中任意一项所述的催化剂层。
11.一种燃料电池，包括根据权利要求10所述的膜-电极组件。
12.一种制备用于燃料电池的催化剂层的方法，该方法包括：
制备包含催化剂、散热材料、离聚物和分散介质的电极浆料的步骤；
将所述电极浆料涂布在基材上以形成浆料层的步骤；和
从所述浆料层去除所述分散介质的步骤。
13.根据权利要求12所述的制备用于燃料电池的催化剂层的方法，其中，在制备电极浆料的步骤中，相对于所述电极浆料的总重量，所述分散介质的含量为80重量％至95重量％。
14.根据权利要求12所述的制备用于燃料电池的催化剂层的方法，其中，在制备电极浆料的步骤中，相对于所述电极浆料的总重量，所述散热材料的含量为0.1重量％至15重量％。
15.根据权利要求12所述的制备用于燃料电池的催化剂层的方法，其中，在制备电极浆料的步骤中，所述催化剂与所述散热材料的重量比为5：1至20：1。
16.根据权利要求12所述的制备用于燃料电池的催化剂层的方法，其中，在制备电极浆料的步骤中，所述催化剂与所述离聚物的重量比为10：1至2：3。
17.根据权利要求12所述的制备用于燃料电池的催化剂层的方法，其中，制备电极浆料的步骤包括进行均匀混合的步骤，并且在进行均匀混合的步骤中，通过使用选自球磨机、粉末混合器和共振声混合器中的任意一种来进行混合。
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