[发明专利]基于碳载过渡金属螯合物的膜电极制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的方法，具体是一种碳载过渡金属螯合物为阴极催 化剂的膜电极制备方法。

背景技术

随着我国经济的迅速崛起，对能源的需求日益增长，我国也成为了世界第二大石油消耗国。 然而经济的高速发展和对石油、煤等资源需求的进一步增长，使得我国的能源及环境问题日益 突出，成为亟待解决的重要课题，质子交换膜燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂的化 学能连续不断地直接转化为电能的发电装置，能量转化效率可达50％～70％。另外，燃料电池工 作噪音低且主要排放物为水，对环境的污染极小。因此，燃料电池对解决日益紧张的能源问题 及环保都具有积极的意义。对质子交换膜燃料电池的研究开发也受到世界各国、地区政府与研 究结构的广泛重视。其中膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极制备方法的好坏直 接关系到电池的寿命与性能。

质子交换膜燃料电池的阴极常用的催化剂为碳载铂，但是铂作为一种稀有贵金属，价格昂 贵，其高昂的成本成为质子交换膜燃料电池商业化的阻碍之一，因此要寻找一种廉价的氧还原 催化剂替代铂以达到降低燃料电池成本的目的。目前，研究较多且催化活性较好的非贵金属氧 还原催化剂主要是碳载过渡金属螯合物。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101306385A，记载了一类以碳载过渡金属 二乙烯三胺螯合物(其中过渡金属为钴、铁、镍、铜、锰、锌、铬)为氧还原催化剂的制备方 法；另有中国专利文献号CN101259437A记载了一类以碳载过渡金属三乙烯四胺螯合物(其中 过渡金属为钴、铁、镍、铜、锰、锌、铬)为氧还原催化剂的制备方法；以及中国专利申请号 201010301179.6记载了一种碳载过渡金属螯合物为阴极催化剂的膜电极制备方法，该方法将催 化剂配成浆料喷涂到带有扩散层的碳布上面，然后通过热压工艺将扩散层碳布、催化剂层和且 质子交换膜通过一定的温度和压力热压到一起制成膜电极，但是催化剂容易随浆料一起渗透到 气体扩散层中，从而降低了催化剂的利用率，提高了催化剂载量以及催化剂层的阻抗。直接涂 膜法是一种将催化剂浆料直接喷涂到质子交换膜上面的方法，该方法能够提高催化剂的利用率 从而降低催化剂的用量、减小催化剂层的厚度，从而提高膜电极的发电性能。蒋淇忠、马紫峰 等在化工学报上发表文章中使用直接涂膜工艺将碳载铂催化剂配成浆料直接涂布到质子交换 膜上，该方法较好解决了质子交换膜因失水而卷曲变形的难题，并且降低了贵金属铂的用量， 但是该工艺采用真空铝盒系统固定质子交换膜，增加了工艺的复杂性。并且由于过渡金属螯合 物所制得的催化剂与碳载铂催化剂的差异，传统直接涂膜方法所用催化剂浆料制备方法不能很 好地将其粘合到质子交换膜上面，容易产生阴极催化剂层和质子交换膜的剥离，极大的增大了 阴极催化剂层和质子交换膜的接触阻抗，严重影响电池性能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于碳载过渡金属螯合物的膜电极制备方 法，克服现有直接涂膜法制备的含有碳载过渡金属螯合物氧还原催化剂的膜电极时，阴极催化 剂层与质子交换膜之间接触不好容易剥离，电阻较大的缺点。本发明通过对质子交换膜的特殊 处理以及对催化剂浆料的改进有效解决了质子交换膜卷曲变形、与过渡金属螯合物不能很好粘 合的问题，同时降低了催化层厚度，提高了膜电极的性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过在质子交换膜的表面分别加载含碳载铂催 化剂和碳载过渡金属胺螯合物氧还原催化剂，得到基于碳载过渡金属螯合物的膜电极。

所述的质子交换膜是指：经氧化反应处理的质子交换膜；

所述的氧化反应处理是指：将质子交换膜依次用3-5wt％的双氧水在50-80℃条件下煮 0.5-2h，0.1-0.5mol/L的硝酸在60-90℃条件下煮1-2h，0.5-1mol/L的硫酸在80-100℃条件 下煮1-2h，进行氧化反应。

所述的质子交换膜存放于超纯水与乙醇、乙二醇、异丙醇或丁醇中的一种或其组合的混合 溶液之中。

所述的含碳载铂催化剂是指：将含20wt％铂的碳载铂催化剂和1体积份的Nafion溶液、 0.05-0.5体积份的水、0.6-5体积份的异丙醇混合并经超声分散20-30min。

所述的含20wt％铂的碳载铂催化剂占含碳载铂催化剂总质量的0.1-3％。