[发明专利]一种高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。该方法是通过降低固体电解质的厚度，使用高含量催化剂降低催化剂层厚度，以及在阴极催化层及/或气体扩散层中引入纳米碳管或碳纤维改进催化剂层及扩散层的传质，使得膜电极的功率密度得到了大幅度的提高。本发明制备方法步骤简单、实用易行、成本低廉；可在提高膜电极性能的同时减小膜电极的厚度，有利于高功率密度燃料电池、电堆及系统的制备。

主权项

1.一种高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将质子交换膜依次用双氧水、硫酸进行氧化、酸化预处理，然后置于去离子水中保存备用；使用时，取出质子交换膜，吸干表面水分，将其固定于特制工装中用于涂装阳极和阴极催化层；所述质子交换膜为具有不同厚度的聚合物固体电解质；（2）将碳纳米管或者碳纤维进行预处理；（3）将碳载铂催化剂或者铂与其它金属的合金催化剂、全氟磺酸聚合物、经过预处理的碳纳米管或碳纤维以及易挥发性溶剂按10:2‑5:0‑5:200‑2000的质量比混合后，经0.5‑2小时超声分散处理后制成墨水状浆料，再采用喷涂或刷涂工艺将该墨水状浆料涂覆在质子交换膜的一侧，Pt的载量控制在0.1‑1mg cm^‑2之间，然后将涂覆好催化层的质子交换膜在50‑80 ℃下热处理20‑60分钟，即制得含有碳纳米管的阴极催化层；（4）将碳载铂催化剂或者铂与其它金属合金的催化剂、全氟磺酸聚合物和易挥发性溶剂按10:2‑5:200‑2000的质量比混合后，经0.5‑2小时超声波震荡后分散成墨水状浆料，将该浆料喷涂在经步骤（3）处理之后的质子交换膜的另一侧，Pt的载量控制在0.05‑0.4mg cm^‑2之间，然后将喷涂好的质子交换膜在50‑80 ℃下烘烤20‑60分钟，制得膜电极的阳极催化层；完成在质子交换膜两面分别涂覆阳极催化层和阴极催化层，得到为三合一膜电极；（5）将碳纸进行疏水处理；（6）将XC‑72碳粉、聚四氟乙烯乳液、碳纳米管或碳纤维和易挥发性溶剂按10:1‑4:0‑5:200‑2000的质量比混合，超声分散30‑80分钟，制成墨水状浆料，采用喷涂及刷涂工艺将该浆料涂覆到经过疏水化处理的碳纸的一侧，碳粉、碳纳米管或者碳纤维的载量控制在2.4‑3.4 mg cm^‑2，将喷涂好的碳纸在50‑80℃下烘烤20‑60分钟，干燥后在340‑430℃下焙烧0.5‑2小时，制得阴极气体扩散层；所述聚四氟乙烯乳液的质量百分比浓度为10‑25 wt%；（7）将XC‑72碳粉、聚四氟乙烯乳液和易挥发性溶剂按10:1‑4: 200‑2000的质量比混合，超声分散30‑80分钟制得墨水状浆料，将该浆料采用喷涂或者刷涂的方法涂覆到经过疏水化处理的碳纸的一侧，将喷涂好的碳纸在50‑80℃下烘烤20‑60分钟，干燥后在340‑430℃下焙烧0.5‑2小时，制得阳极气体扩散层；所述聚四氟乙烯乳液的质量百分比浓度为10‑25 wt%；（8）将经（6）和（7）处理之后的两张气体扩散层分别贴合在经步骤（4）喷涂好阴阳极催化层的质子交换膜的两侧，110‑150度热压3‑5分钟，然后进行封边处理；即制得阴极催化层或气体扩散层含有碳纳米管的五合一膜电极。