[发明专利]一种在质子交换膜上负载催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种在质子交换膜上负载催化剂的方法。

背景技术

能源是人类生存和发展的物质基础，是国民经济发展的动力。燃料电池发电方式是将燃料和氧化剂分别通入阳极和阴极，通过电极反应将燃料的化学能直接转换成电能，它不经过热机过程，不受卡诺循环限制。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane FuelCell，PEMFC)具有能量转化效率高，比能量大，启动迅速和环境友好等一系列优点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。

膜电极(Membrane&ElectrodeAssembly，MEA)是PEMFC最关键的部件，是PEMFC电化学反应能高效进行的核心，其制备技术不但直接影响电池性能，而且对降低电池成本、提高电池比功率和比能量至关重要。膜电极由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜组成。气体扩散层一般采用经聚四氟乙烯(PTFE)处理的碳纸或碳布，或是在PTFE处理的碳纸或碳布上压制一层PTFE粘接的碳粉制成多孔结构，其作用是为电极反应提供稳定、快速的气体传输通道和保证电极的强度达到要求。电催化剂采用负载型铂/炭(Pt/C)或铂-钌/炭(Pt-Ru/C)，它是目前氢/氧(H₂/O₂)或氢/空气(H₂/air)PEMFC的首选高活性电催化剂。质子交换膜一般采用具有高的H⁺传导能力的全氟磺酸型质子交换膜(如美国杜邦公司的Nafion系列膜)。

为了降低电池成本、提高电池比功率和比能量，PEMFC越来越趋向于采用超薄的质子交换膜和低Pt载量的膜电极。这种高功率膜电极的制备方法近期特别受到研究者的重视。MEA通常采用热压法制备，其催化剂荷载工艺和高温高压的膜电极成型条件对制备超薄膜电极还是有一些困难，这也是CCM(catalyst-coated membrane，涂敷催化剂的膜，即膜和催化层组成的三合一组件)方法近期得到广泛关注的原因之一。

质子交换膜和涂覆于其两侧的催化剂层组成CCM，制备好的CCM与扩散层(常规的碳纸、碳布等)组装形成膜电极，这种制备膜电极的方法也称为CCM法。CCM法包括喷涂法、真空溅射法、转印法、电化学和化学沉积法，其中研究和采用较多的是前两种方法[1]。而与真空溅射法相比，喷涂法操作简单且不需要复杂的设备，非常适用于规模化操作。

*[1]赵培，木士春，潘牧，袁润章.PEMFC组件CCM制备方法的评述，电池，35(2005)480-482

发明内容

本发明提出一种燃料电池用质子交换膜上负载催化剂的方法，该方法的主要内容包括喷涂时的操作条件、催化层的结构、喷涂液的组成等等，这些因素直接影响CCM的性能。

质子交换膜上负载催化剂的方法，其特征步骤如下：

1)将Pt/C或PtRu/C催化剂、去离子水和异丙醇混合，超声振荡15～30分钟使其分散均匀；加入Nafion溶液，继续超声振荡15～30分钟，形成混合液A；其中，溶液中干态Nafion的含量为Pt/C催化剂或PtRu/C催化剂和干态Nafion的总含量的20％～30％；Nafion溶液与异丙醇的质量比为1∶3～1∶8；去离子水与异丙醇的质量比为0.4∶1～1.2∶1；

2)按步骤1)配置混合液B，其中干态Nafion的含量高于第一份混合液，但应不超过35％；

3)将一张质子交换膜置于中央留有通孔的两片模板中间，固定；

4)将3)中生成的带有质子交换膜的模板在加热设备上加热，温度控制在40～75℃；

5)将混合液B移入喷枪或喷笔的容器内，在氮气或空气的推动下将混合液喷涂在步骤4)所述的膜的一侧，然后真空或空气中干燥；干燥后用同样条件在形成的催化层上喷涂混合液A，然后真空或空气中干燥；

6)重复步骤1)～5)过程，在膜的另一侧制备催化层，形成CCM。

7)将两片碳纸或碳布分别置于CCM的两侧，碳纸的边缘尺寸略大于3)模板通孔边缘尺寸1~2mm，用少量普通固体胶或密封胶固定，形成膜电极。