[發明專利]直接醇類燃料電池的膜電極集合體的陰極結構和制作方法

有效

• 申請號: 200910196042.6
• 申請日: 2009-09-22
• 公開（公告）號: CN101662032A
• 公開（公告）日: 2010-03-03
• 發明（設計）人: 楊輝;曹劍瑜;陳梅;鄒志青;黃慶紅;杜翀
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/96;H01M4/88
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

1.一種直接醇類燃料電池的膜電極集合體，所述的膜電極集合體以碳紙或碳布為支撐層，在支撐層上涂覆由碳材料與聚四氟乙烯粘結劑組成的陽極或陰極的微孔層，再涂覆貴金屬基催化劑和Nafion樹脂組成的墨水，通過熱處理，將陽極、陰極和Nafion膜熱壓而成，其特征在于所述的陰極微孔層為內、外兩層的雙微孔層；

其中，①陰極內微孔層所用的碳材料為XC-72、XC-72R、Black?Pearls2000、乙炔黑、Ketjen?Black或碳納米管；

②陰極外微孔層所用的碳材料為XC-72、XC-72R、Black?Pearls?2000、乙炔黑、Ketjen?Black和碳納米管的一種或兩種以上混合物；

③所述的熱處理溫度為120～160℃，熱處理氣氛為空氣、氮氣或氬氣；

④所述的熱壓溫度為125～145℃，熱壓壓強為4～8MPa。

2.按權利要求1所述的膜電極集合體，其特征在于在陰極內外兩層的雙微孔層上涂覆用的碳材料為相同的碳材料或不同的碳材料。

3.按權利要求2所述的膜電極集合體，其特征在于陰極外微孔層的聚四氟乙烯質量百分含量控制在5-30％；陰極內微孔層的聚四氟乙烯質量百分含量控制在30-60％。

4.制作如權利要求1所述的直接醇類燃料電池的膜電極集合體的方法，其特征在于：

(1)微孔層碳漿液的制備：將一定量的碳材料和粘結劑聚四氟乙烯超聲分散于異丙醇水溶液中，形成均勻的碳漿液；按每毫克碳材料0.01～0.5mL量加入異丙醇和水的混合溶液，其中異丙醇和水的體積比控制在0.5～3，粘結劑占總固體量的5～60％；

(2)陰極內、外兩層雙微孔層和陽極微孔層的制備：以碳紙或碳布為電極的支撐層，將步驟(1)所制得的碳漿液通過刷涂、刮涂或噴涂均勻涂覆在碳紙或碳布支撐層上，經320～360℃空氣或氮氣或氬氣中熱處理0.5～3h，即得到支撐層負載的微孔層，微孔層碳載量控制為0.3～4mgcm^-2；其中，陽極微孔層所用碳材料為XC-72、XC-72R、Black?Pearls?2000、乙炔黑、Ketjen?Black?或碳納米管，聚四氟乙烯質量百分含量控制在5～30％；陰極外微孔層所用碳材料為XC-72、XC-72R、Black?Pearls?2000、乙炔黑、Ketjen?Black和碳納米管中的一種或兩種以上混合物；聚四氟乙烯質量百分含量為5～30％；陰極內微孔層所用碳材料為XC-72、XC-72R、Black?Pearls?2000、乙炔黑、Ketjen?Black或碳納米管；陰極內、外兩層的雙微孔層是用兩種不同組成配比的碳漿液涂覆于同一支撐層上形成的；其中，陰極外微孔層的聚四氟乙烯質量百分含量控制在5-30％；陰極內微孔層的聚四氟乙烯質量百分含量控制在30-60％；

(3)催化層墨水的制備：催化墨水包括貴金屬基催化劑、Nafion樹脂和分散劑，其中催化劑包含Pt-Ru基或Pt基的碳載或非負載的納米催化劑；Pt催化劑被用作陰極催化劑；將一定量催化劑和Nafion溶液超聲分散于異丙醇水溶液中，其中，Nafion樹脂占催化劑干重的10％～40％；按0.01～0.5mLmg^-1的量加入水和異丙醇的混合液作分散劑，水和異丙醇的體積比為0.5～3，經磁力攪拌6～24h，再超聲分散0.5～3h，得到催化劑墨水；

(4)催化層的制備：將步驟(3)所制得的催化劑墨水通過噴涂、刮涂或刷涂均勻涂覆在步驟(2)制備的陽極微孔層或陰極雙微孔層上，然后在120～160℃空氣、氮氣或氬氣中熱處理，即形成附有催化劑層的陽極或陰極；其中，陽極和陰極催化層中貴金屬催化劑的載量控制在2～8mgcm^-2；

(5)膜電極集合體的制備：將步驟(4)制備的附有催化劑層的陽極、陰極和Nafion膜在125～145℃、4～8MPa下熱壓即制得所述的膜電極集合體。

5.按權利要求4所述的膜電極集合體的制作方法，其特征在于：

(a)步驟(1)中形成均勻的碳漿料的攪拌時間為2-8h；

(b)步驟(2)中作為支撐層的碳紙或碳布厚度為10μm-2mm；

(c)步驟(4)中熱處理時間為3-30min；

(d)步驟(5)中所述的熱壓時間為2-5min。