[发明专利]超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的制备方法

说明书

本发明涉及一种超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的制备方法，该方法在真空条件下通过控制磁控溅射参数，优化确定了气体扩散层的Pt及Nafion载量，通过热压最终制得了性能优异的膜电极，该膜电极催化层厚度薄，催化剂颗粒分布均匀，Pt催化剂的利用率优于采用其他方法制备得到的膜电极，尤其适用于质子交换膜燃料电池。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极及其制备方法。

背景技术

膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件，它是电化学反应发生的重要场所。膜电极主要由气体扩散层(GDLs)、催化剂层(CLs)和膜组成。由于电化学反应的发生需要各个组成部分协调配合，因此膜电极的制备方法、组装工艺、物化特性、所使用的材料和运行条件等都会对质子交换膜燃料电池的性能产生重要影响。研究者们力求在不影响电池性能的前提下，尽可能降低催化剂使用量，优化膜电极制备工艺，进一步拓宽质子交换膜燃料电池的应用范围。

传统的GDE(Gas Diffusion Electrode，气体扩散电极)制备工艺如下：首先将适量的PTFE及溶剂超声振荡使其混合均匀，然后将催化剂均匀的刷涂到扩散层上，接着用Nafion(全氟磺酸聚合物)溶液浸渍催化层，将制备的阴极和阳极分别置于电解质膜的两侧热压得到MEA。采用这种工艺制备的电极尺寸可以灵活变化，易于放大并批量生产，但该方法操作工序多，影响因素也多：将催化剂涂布到碳粉整平的碳纸或碳布上时，碳粉层的厚度和孔隙分布不均匀，致使催化层厚度不均匀；而且部分催化剂会渗透到碳纸或碳布上，不能有效的参与电化学反应造成浪费，不但降低了催化剂的利用率，而且导致膜电极的稳定性较差。

针对目前GDE制备过程中存在的上述问题，本发明提供一种新型的利用磁控溅射技术制备GDE，从而制备超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的方法。该方法省去了传统GDE制备工艺中采用的大量溶液性质的原材料，制备过程中没有化学废料产生，不会对环境造成污染，且催化剂颗粒分布均匀利用率高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极及其制备方法。采用该方法制得的膜电极催化层较薄，催化剂颗粒分布均匀，Pt催化剂的利用率明显优于采用其他方法制备得到的膜电极，适用于质子交换膜燃料电池。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的制备方法，包括以下步骤：

(a)真空环境下，利用磁控溅射技术在疏水碳纸表面溅射催化剂Pt；

(b)在溅射处理后的疏水碳纸表面喷涂Nafion溶液，得到GDE；

(c)将碳纸、制得的GDE、CCM(燃料电池芯片)热压组装，得到超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极。

进一步的，磁控溅射处理后的疏水碳纸表面Pt载量为0.03-0.06mg/cm²。

进一步的，制备得到的GDE表面Nafion的含量为0.08-0.4mg/cm²。

进一步的，步骤(a)中首先将疏水碳纸置于溅射室内然后抽真空，当溅射室的真空度为3×10^-4Pa时向溅射室内通入氩气，当溅射室内气体压力为2Pa时，调节溅射功率至20W开始溅射，溅射时长为200-1200s。

进一步的，步骤(b)中所使用的Nafion溶液的浓度为0.4wt％-0.6wt％。

更进一步的，所述Nafion溶液的配制方法具体为：取一定量较高浓度的Nafion溶液，利用体积分数为50％的异丙醇水溶液将其稀释至目标浓度。

进一步的，步骤(c)中热压温度为110-160℃，压力为5-10bar，热压时间为30s-5min。