[发明专利]一种超低铂载量的膜三合一制备方法

说明书

本发明涉及一种产品的制造方法，特别是一种质子交换膜燃料电池膜三合一的制备方法。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密度，高能量转换效率，低温启动，环境友好等优点，最有希望成为零污染排放电汽车的动力源，许多发达国家都在投巨资发展这一技术。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极为多孔气体扩散电极，纯铂或Pt/C作为电催化剂，全氟磺酸固体聚合物充当电解质，氢气为燃料，氧气或空气为氧化剂。PEMFC使用金属铂催化剂，由于其昂贵的价格和有限的资源，因此在PEMFC常采用Pt/C，而铂在碳黑上分散的均匀性，铂的粒度影响Pt/C的性能，本发明涉及一种超低铂载量的膜三合一制备方法，铂含量为0.02-0.04mg/cm²，特别提供了一种易于操作、价格便宜、容易放大超低铂载量的膜三合一制备技术，这对降低电极的生产成本起到了重要作用。

目前制备膜电极三合一方法比较多：在美国专利3,134,697中，将纯铂黑催化剂与稀释的离子交换树脂溶液直接混合，搅拌均匀后在玻璃板表面制备催化层，在高温、高压条件下，将催化层转移到离子交换膜表面，此缺点是采用高温、高压处理，致使离子交换膜部分降解，导致电池性能下降。在美国专利4,272,353中，采用SiC砂纸将离子交换膜表面磨粗糙，增加催化剂和膜的接触面积，该方法操作工艺繁琐，难以实现膜电极三合一大规模生产。在美国专利4,326,930中，采用电沉积法制备电极催化层，需要特殊装置生产，电解液易造成环境污染。在美国专利4,876,115中用聚四氟乙稀(PTFE)粘结Pt/C催化剂在扩散层表面制备催化层，用聚合物电解质浸渍电极催化层，用来延伸电极三相反应界面，但铂催化剂用量仍较高(0.35～0.50mg/cm²)。在美国专利5,211,984及美国专利5,234,777中，Pt/C催化剂、Nafion溶液、水、NaOH溶液和甘油直接混合，在超声波中分散均匀后，用该催化剂“墨汁”在聚四氟乙稀膜表面铸造电极催化层，在135℃下烘干后，用贴花转移法将催化层转移到Na⁺型质子交换膜表面，再用H₂SO₄溶液将Na⁺型质子交换膜质子化，电极扩散层直接放到含有催化层的质子交换膜两侧，该专利方法制备工艺复杂，生产周期较长。在美国专利5,272,017中，Pt/C催化剂、Nafion溶液、PTFE乳液、有机溶剂和水混合制得的催化剂“墨汁”被刷到质子交换膜表面，在90～95℃下干燥30分钟，以除去有机溶剂，然后在高温(150℃)、高压(1000-2000lb/in²)条件下，将催化剂粒子部分嵌入到质子交换膜表面，该专利方法电极扩散层中含有催化剂，制备成本较高，电池性能也不够理想。在美国专利5,415,888中，将Nafion溶液、有机溶剂、水和20％ Pt/C催化剂混合，磁力搅拌子搅拌均匀后，用丝网印刷法在质子交换膜表面制备催化层，该专利方法铂催化剂载量高，需要在质子交换膜表面多次丝网印刷催化层，且催化剂“墨汁”损失较多。在美国专利5,702,755中，将20％ Pt/C催化剂、聚合物电解质树脂、有机溶剂、水和氢氧化四丁基胺混合溶液，用磁力搅拌子搅拌均匀后，加入碳酸丙稀酯制得催化剂“墨汁”，用美国专利5,211,984及美国专利5,234,777中的贴花转移法将催化剂“墨汁”转移到质子交换膜表面，电极扩散层使用浸渍聚四氟乙稀乳液和碳粉的石墨化碳布，该专利方法铂催化剂载量仍较高。

本发明的目的是提供一种可以有效克服上述问题发生的膜三合一的制备方法，它易于操作、制造成本低廉。

本发明的目的是这样实现的：以Nafion溶液粘结Pt/C催化剂，在有机溶剂(醇、醚、酯或酮)润胀后的质子交换膜表面喷涂催化层，在低温条件(80～100℃)下烧结，电极扩散层使用浸渍聚四氟乙稀乳液和碳粉混合物的碳纸，制备了超低铂载量膜电极三合一，铂催化剂用量降低到0.02～0.04mg/cm²。它包括扩散层制备、催化层制备和整合成型三个工艺过程，具体内容如下：

1.扩散层制备

采用碳纸、聚四氟乙稀(PTFE)乳液和XC-72碳粉制备电极扩散层。XC-72碳粉和碳纸在使用前需用硝酸化学处理和高温热处理。将PTFE和XC-72碳粉混合水溶液用超声波分散均匀后，采用涂布法涂到碳纸两侧，室温晾干后，最后在350℃下烧结1小时，即制得扩散层；

2.催化层制备