[发明专利]一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的结构及制备方法

权利要求书

1.一种直接醇类燃料电池膜电极集合体结构，所述的膜集合体依次包括支撑层、阳极微孔层、阳极催化层、Nafion膜、阴极催化层、阴极微孔层和阴极支撑层，其特征在于所述的阴极催化层为疏水性且呈梯度分布，即制备的疏水性逐渐变化的双层、三层或多层阴极催化层；

所述的双层阴极催化层中外层(A)层是由贵金属Pt/C纳米催化剂、Nafion溶液、PTFE憎水剂和异丙醇的水溶液组成，其中Nafion树脂占催化剂干重的5-20％，PTFE占催化剂干重的20-5％，双层催化层中的内层(B)层是由Pt/C纳米催化剂、Nafion树脂和异丙醇的水溶液组成，其中Nafion树脂占催化剂干重的15-30％，且大于(A)层中的含量；外层(A)涂覆在阴极微孔层上；

所述三层或多层疏水性呈梯度分布的阴极催化层是指上述双层阴极催化层中的中间层(C)是由Pt/C纳米催化剂、Nafion树脂、PTFE憎水剂和异丙醇的水溶液组成，中间层中Nafion的含量介于外层(A)和内层(B)之间，在接近(B)层时PTFE憎水剂含量逐渐减少接近零。

2.按权利要求1所述的膜电极集合体结构，其特征在于中间层(C)为一层时构成的阴极催化层为三层，依次类推。

3.按权利要求1所述的膜电极集合体结构，其特征在于双层或多层阴极催化层的贵金属催化剂的载量为2-8mg/cm²。

4.制备如权利要求1所述的膜电极集合体结构的方法，其特征在于以碳纸或碳布为支撑层，然后根据需要涂覆由各种碳材料与聚四氟乙烯粘结剂组成的微孔扩散层，再涂覆贵金属基催化剂、Nafion树脂等组成的浆液，通过合适的热处理等步骤，将阳极、阴极和Nafion膜在一定条件下热压，即制得MEA，制备步骤为：

a)微孔层的制备：将一定量的碳材料和粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)超声分散于异丙醇水溶液中，超声搅拌0.5～8h，形成均匀的碳浆液；按每毫克碳粉加入0.01～0.5mL异丙醇和水的混合溶液，其中异丙醇和水的体积比控制在0.5～3，粘结剂占总固体量的5～60％，将制得的碳浆液通过刷涂、刮涂或喷涂多次均匀涂覆在碳纸或碳布等支撑层上，经320～360℃空气或氮气或氩气中热处理0.5～3h，即得到支撑层负载的微孔层，其中微孔层碳载量控制为0.3～4mgcm^-2；

b)阳极催化层的制备：所述的催化剂浆液主要包括贵金属基催化剂、Nafion树脂和分散剂等；Pt-Ru基的碳载或非负载的纳米催化剂被用作阳极催化剂；将一定量催化剂和Nafion溶液超声分散于异丙醇水溶液中，其中，Nafion树脂占催化剂干重的10％～40％；按0.01～0.5mLmg^-1的量加入水和异丙醇的混合液作分散剂(水和异丙醇的体积比为0.5～3)，得到催化剂墨水；该墨水经磁力搅拌6～24h，再超声分散0.5～3h，得到均匀分散催化剂浆液；将所制得的催化剂浆液通过喷涂、刮涂或刷涂多次均匀涂覆在步骤(1)制备的微孔层上，然后在约100～160C空气或氮气或氩气中热处理3～30min，即形成阳极电极；其中，贵金属催化剂的载量控制在2～8mgcm^-2；

c)疏水性呈梯度分布的阴极催化层的制备：阴极催化层采用Pt/C纳米催化剂，将Pt/C纳米催化剂、Nafion溶液、PTFE憎水剂和异丙醇的水溶液一起在超声条件下混合均匀，得到浆液(A)，其中Nafion树脂占催化剂干重的5％～20％，PTFE占催化剂干重的20％～5％；将Pt/C催化剂、Nafion树脂(占催化剂干重的15％～30％，且大于(A)层中的含量和异丙醇的水溶液一起在超声条件下混合均匀，得到浆液(B)；将浆液(A)、(B)依次均匀涂布在扩散层上形成双层催化层；增加浆液(A)中Nafion的含量，减少憎水剂的含量，得浆液(C)，其中，控制浆液(C)中的Nafion的含量介于浆液(A)和(B)之间；当呈梯度分布的(C)层取一层时，将浆液(A)、(C)、(B)依次均匀涂布在扩散层上形成三层阴极催化层；经100～160℃烘干后制得亲疏水性呈梯度分布的直接甲醇燃料电池的双、三催化层阴极气体多孔电极；当然，还可以制备Nafion的含量逐渐增加并且介于浆液(A)和(B)之间，PTFE含量逐渐减小的两种或两种以上的催化剂浆液涂于双层催化层之间，形成疏水性梯度逐渐变化的多层催化层阴极结构；

d)膜电极集合体的制备：将步骤(2)制备的阳极、步骤(3)制备的阴极和Nafion膜在125～145℃、4～8MPa下热压2～5min即制得MEA。