[发明专利]一种含有三维疏水阴极催化层的膜电极的制备方法

摘要

本发明公开了一种含有三维疏水阴极催化层的膜电极的制备方法。方法采用高铂含量催化剂及超薄质子交换膜，通过在阴极催化层添加三维结构助剂和疏水性物质，制备了含有三维疏水阴极催化层的高性能、高功率密度膜电极。本发明中阴极催化层通过添加碳纳米管等构筑催化层的三维结构，提高催化层孔隙率和催化剂利用率、提高气体扩散能力和电子的传输能力；而添加的疏水性物质可以有效改善阴极的水管理，特别是在大电流密度下，能够有效地将阴极反应产生的水排出，保证阴极反应气体可以顺畅扩散到阴极催化层和催化剂发生反应。本发明制备方法步骤简单，可行性强，实用易操作，成本低；膜电极的体积小、质量轻、容易制备，可以实现膜电极的规模化生产。

主权项

一种含有三维疏水阴极催化层的膜电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）质子交换膜先后用去离子水、双氧水和硫酸进行预处理；（2）将三维结构助剂进行预处理；（3）将碳载铂催化剂、全氟磺酸聚合物、三维结构助剂、疏水性物质及易挥发性溶剂按10:2‑4:0.1‑2:0.1‑0.5:500‑1500的质量比混合后，经过超声波震荡后分散成墨水状溶液，再将该墨水状溶液涂敷在质子交换膜一侧作为膜电极的阴极催化层，然后将涂敷好的质子交换膜在40‑60 ℃下热处理20‑40分钟，即制得含有三维疏水性的阴极催化层；所述阴极催化层中活性组分Pt载量为0.1‑0.3mgPt·cm‑2；（4）将碳载铂催化剂、全氟磺酸聚合物和易挥发性溶剂按10:2‑4:500‑1500的质量比混合后，经超声波震荡后分散成墨水状溶液，将该溶液涂敷在经步骤（3）处理之后的质子交换膜的另一侧，然后将涂敷好的质子交换膜在40‑60 ℃下热处理20‑40分钟，制得膜电极的阳极催化层；所述阳极催化层中Pt的载量控制在0.05‑0.15mgPt·cm‑2；（5）将碳纸浸入聚四氟乙烯乳液中进行输水处理；（6）将碳粉、聚四氟乙烯乳液、易挥发性溶剂按10:1‑3: 500‑1500的质量比混合，超声波震荡分散成墨水状溶液，将该溶液涂敷到经过疏水化处理的碳纸的一侧，碳材料的总量控制在2.0‑4.0 mg cm‑2，将涂敷好的碳纸在40‑60℃下热处理20‑40分钟，干燥后在300‑400℃下焙烧1‑3小时，制得阴极气体扩散层；（7）将碳粉、聚四氟乙烯乳液和易挥发性溶剂按10:1‑3: 500‑1500的质量比混合，超声波震荡分散成墨水状溶液，将该溶液涂敷到经过疏水化处理的碳纸的一侧，将涂敷好的碳纸在40‑60℃下热处理20‑40分钟，干燥后在300‑400℃下焙烧1‑3小时，制得阳极气体扩散层；（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）处理之后的质子交换膜的两侧，即制得阴阳极催化层、气体扩散层的膜电极。