[发明专利]一种以碳管膜为载体制备膜电极的方法

说明书

本发明涉及一种以碳管膜为载体制备膜电极的方法，步骤为：S1、将碳纳米管粉体在醇类溶剂中进行均匀分散；S2、通过过滤工艺将碳纳米管粉体均匀的附着在气体扩散层上形成碳管膜；S3、在碳管膜的表面上均匀地喷涂一层含有铂盐溶液的催化剂前驱体，并对催化剂前驱体进行还原，使得铂盐还原为铂颗粒，得到分散均匀的碳载铂膜片；S4、在碳载铂膜片上均匀地喷涂一层离子导体溶液，之后进行干燥，在铂颗粒的表面形成离子导电层；S5、将质子交换膜置于离子导电层上并采用热压工艺压合形成膜电极。克服了传统以炭黑为载体导致铂利用率低的问题，实现催化剂和电解质层载量精确可控，还原周期短，设备要求简单，提高生产效率以及降低成本。

技术领域

本发明涉及膜电极的生产与制造领域，尤其是涉及一种以碳管膜为载体制备膜电极的方法。

背景技术

燃料电池是将化学能直接转化为电能的能量转换装置，其中不涉及热机的燃烧过程。燃料电池由于具有环境友好、能量密度高、室温下可快速启动和可靠性高等优点。与其他燃料电池相比质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作温度相对较低，适合用作电动车载、便携式电源。膜电极(MEA)组件包括催化剂层、气体扩散层和质子交换膜，为PEMFC的电化学反应提供了质子、电子、反应气体和水连续通道，其性能好坏直接影响到PEMFC的性能,优化MEA结构,改善其性能，是提高PEMFC工作效率的有效途径之一。

为提高铂的利用率和减少铂的用量，铂或铂合金均以纳米级颗粒的形式高分散地担载到导电、抗腐蚀的担体上，目前载体一般是具有高比表面积的碳黑。但是，它通常含有许多微孔(直径<2nm)，使溶剂化的离子难以通过且易被全氟磺酸溶液(Nafion)覆盖，导致催化剂的利用率降低。另外，它含有的硫会引起Pt颗粒的团聚，使Pt颗粒粒径增大。

碳纳米管作为催化层载体，相较于炭黑，耐腐蚀性能好，由于导电性强、化学稳定性好、表面积大等优点，已作为催化剂载体材料来使用。与碳黑相比纳米管的形态结构更倾向于分散电催化剂而不是使它们相互结合，当阳极引入含CO的H₂时，碳纳米管(CNT)基催化剂的性能也更好。

沉积法可使催化剂原位生成在膜上，得到不同结构、尺寸和形态的活性金属颗粒及粒径分布，但残留杂质离子难以完全去除，会使膜内成分改变而恶化导电性能，此外，活性金属的沉积普遍存在难以均匀沉积且粒径较大的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种催化剂利用率提高且能够进行精确控制的以碳管膜为载体制备膜电极的方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种以碳管膜为载体制备膜电极的方法，所述方法的步骤为：

S1、将碳纳米管粉体在醇类溶剂中，使用超声波或者均质或者高速剪切的方式进行均匀分散；

S2、通过过滤工艺将碳纳米管粉体均匀的附着在气体扩散层上形成碳管膜；

S3、在碳管膜的表面上均匀地喷涂一层含有铂盐溶液的催化剂前驱体，由于毛细作用催化剂前驱体会在碳管膜的表面和内部均匀分布，并对催化剂前驱体进行还原，使得铂盐还原为铂颗粒，得到分散均匀的碳载铂膜片；

S4、在碳载铂膜片上均匀地喷涂一层离子导体溶液，之后进行干燥，在铂颗粒的表面形成离子导电层；

S5、将质子交换膜置于S4步骤中得到碳载铂膜片的离子导电层上并采用热压工艺压合形成膜电极。

进一步具体的，所述的步骤S2中在过滤工艺中增大压力提高过滤速度。

进一步具体的，在所述的步骤S3中采用超声波喷涂技术对催化剂前驱体进行喷涂操作。

进一步具体的，在所述的步骤S4中采用超声波喷涂技术对离子导体溶液进行喷涂操作。

进一步具体的，所述的铂盐溶液为氯铂酸或者乙酰丙酮铂。