[发明专利]一种直接甲醇燃料电池自组装膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种直接甲醇燃料电池自组装膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种等温地将化学能转化为电能的电化学装置，具有能量转化效率高、环境友好等特点。在当今石化能源即将枯竭的形式下，使用可再生能源-氢能的燃料电池受到越来越多的关注。直接甲醇燃料电池(DMFC)是在质子交换膜燃料电池(PFMFC)的基础上发展起来的一种新型燃料电池，它直接使用甲醇水溶液作为燃料，具有来源丰富、易储存和运输等特点，比常规的氢氧燃料电池更具有吸引力，在移动电源、电子产品、MEMS器件微电源以及军民通用传感器件等领域具有广泛的应用前景。

膜电极(MEA)是燃料电池的核心部件，传统的膜电极是由聚合物电解质膜、催化剂和扩散层材料组合而成的三明治式结构组件，对DMFC的性能起着关键作用。MEA的性能除了与材料有关外，还与结构密切相关。因此，通过改进MEA的制备方法对其结构进行优化，是提高MEA性能的重要途径之一。目前最常见的膜电极包括CDM型和CCM型。CDM型膜电极是将催化剂墨水涂刷或者喷射到气体扩散层碳纸或者碳布上，然后与电解质膜热压而成；CCM型是通过转托法或者溅射等方法直接将催化剂墨水涂在电解质膜上，然后与气体扩散层碳纸或者碳布热压而成。由于常规膜电极的制备程序相对复杂，催化剂用量比较多，使得DMFC成本高。因此要开发实用型的DMFC，在提高材料性能的同时，必须要降低材料的成本，在改进MEA的制备以优化膜电极结构及提高性能的前提下，降低膜电极的制备费用。

如何提高膜电极的性能，国内外的科研工作者们做了大量的研究工作，20世纪90年代以后，通过直接把催化剂涂在质子交换膜上而制得质子交换膜核心组件膜电极集合体，该方法可提高催化剂的利用率，减少催化层的厚度从而减少贵重金属的使用量，降低制造成本，提高传质效率。

欧洲专利公开号为EP1137090的申请案，公开了一种采用电弧放电或者溅射产生的纳米级金属颗粒沉积到质子交换膜形成纳米相催化剂层制得MEA的方法。该方法制得的催化剂层厚度为10～100nm，催化剂的担载量为0.01～0.02mg/cm²。但是该方法的工艺复杂，对仪器和操作技术的要求比较高，不适宜大规模应用。

中国专利公开号为03118773.0的申请案，公开了一种化学沉积方法，该方法将催化剂前躯体与聚合物电解质配成溶液，并将此溶液涂于聚合物电解质膜表面，再将膜表面涂层中的催化剂前躯体还原成金属。但是，该方法沉积的Pt载量比较多，同时会沉积其它离子使电极毒化，而且对仪器要求比较高，操作复杂，费用昂贵。

美国专利公开号为US6847518的申请案公开了一种转托法，所述方法先将催化剂墨水涂到转移介质上，干燥后把两片分别涂有阴阳级催化剂的转移介质和质子交换膜一起热压，剥离转移介质后得到膜电极集合体，装上碳纸或者碳布气体扩散层制得MEA。但是，该方法中温度和压力对膜以及对催化剂在膜上的附着强度有影响，在热压时，膜和转移介质接触的边缘由于受力不均匀，常常会被破坏；在转移过程中，由于热压使得部分催化剂粘在转移介质上，使得催化剂的利用率下降；而且转移介质经常由于热压发生变形而不能重复使用，增加制备的成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种成本低、工艺简单、环境友好的直接甲醇燃料电池自组装膜电极。

本发明的另一目的在于提供一种上述直接甲醇燃料电池自组装膜电极的制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种直接甲醇燃料电池自组装膜电极，由阴阳极催化剂支撑层、阴阳极催化层和电解质膜组成；所述电解质膜是Nafion117膜，购自杜邦公司；所述阴阳极催化剂支撑层是修饰在Nafion117膜表面的聚苯胺；所述阴阳极催化层由采用化学还原法沉积在用聚苯胺修饰的Nafion117膜(Nafion117/PAn)表面的微米级的Pt组成。