[发明专利]一种新型超薄质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法

权利要求书

1.一种新型超薄质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)疏水碳纸的制备：碳纸先用5wt％聚四氟乙烯溶液(5wt％PTFE)处理作为支撑层；

(2)金属催化剂层的制备：利用Helicon等离子体直流溅射方法或等离子体磁控溅射方法，溅射催化剂到步骤(1)制得的疏水碳纸上，制得用于定向碳纳米管生长的金属催化剂层；

(3)气体扩散层(Gas diffusion layer)制备：采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备定向碳纳米管；

(4)利用等离子体磁控溅射法或Helicon等离子体直流溅射法将铂(Pt)纳米粒子或者铂钌(PtRu)纳米粒子溅射到步骤(3)制得的定向碳纳米管上，制得阴阳电极；

(5)将等离子体聚合质子交换膜沉积到步骤(4)制得的电极表面；

(6)将两块步骤(5)制得的带有电极的等离子体聚合质子交换膜冷压组装成新型超薄质子交换膜燃料电池膜电极(MEA)。

2.根据权利要求1所述的新型超薄质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的用于定向碳纳米管生长的金属催化剂层的制备过程包括以下步骤：

(1)等离子体清洗  以疏水碳纸作为定向碳纳米管生长的金属催化剂层的沉积基片，放入真空室基片台，抽本底真空至10^-3Pa以下，通入氩气至气压1Pa左右，控制基片负偏压在100V左右，在射频功率为100-300W的条件下进行射频等离子体放电清洗5-10分钟；

(2)等离子体溅射反应  以作为催化剂的金属为溅射靶，等离子体溅射金属催化剂，要求，基片负偏压为100V左右，催化剂金属靶负偏压为400-500V，基片加热温度为400-600℃，在射频功率为100-300W的条件下进行射频等离子体溅射反应，等离子体溅射反应时间为5-15分钟，制得用于定向碳纳米管生长的金属催化剂层。

3.根据权利要求1所述的新型超薄质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备定向碳纳米管的制备过程包括以下步骤：

1)等离子体刻蚀  将步骤(2)制得的带有金属催化剂层的疏水碳纸作为定向碳纳米管的沉积基片，放入真空室基片台，抽本底真空至10^-3Pa以下，通Ar气至气压1Pa左右，基片负偏压控制在100V左右，在射频功率为100-300W的条件下进行射频等离子体放电，等离子体刻蚀5-10分钟；

2)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)反应  保持基片负偏压为100V左右不变，通入甲烷和氢气混合气体到等离子体反应器真空室里，甲烷和氢气分压比为1∶(1～5)，基片加热，温度为400-600℃，反应器真空室压强为0.1-0.6Pa，在射频功率为100-300W的条件下进行射频等离子体放电，等离子体反应60-90分钟，制得带有金属催化剂层的疏水碳纸为沉积基片的定向碳纳米管。

4.根据权利要求1所述的新型超薄质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的利用等离子体磁控溅射技术将Pt纳米粒子或者PtRu纳米粒子溅射到定向碳纳米管上，其制备过程包括以下步骤：

1)等离子体表面修饰  以步骤(3)所得的带有定向碳纳米管的疏水碳纸为沉积基片，放入真空室基片台，在射频功率为100-300W的条件下进行射频等离子体放电刻蚀，要求，真空室抽本底真空至10^-3Pa以下，通Ar气至气压1Pa左右，基片负偏压控制在100V，射频等离子体放电刻蚀时间5-10分钟；

2)等离子体磁控溅射反应  从进气环通入Ar气，反应器真空室压强为0.1-0.3Pa，以Pt为溅射靶，溅射Pt制备阴极催化剂；以Pt-Ru为溅射靶，溅射Pt-Ru制备阳极催化剂，在射频功率为100-300W的条件下进行射频等离子体放电溅射5-20分钟，制得Pt纳米粒子或者PtRu纳米粒子负载的定向碳纳米管的疏水碳纸，也即阴阳电极。