[發明專利]一種在質子交換膜上負載催化劑的方法

無效

• 申請號: 200910305404.0
• 申請日: 2009-08-10
• 公開（公告）號: CN101630749A
• 公開（公告）日: 2010-01-20
• 發明（設計）人: 田建華;單忠強;張志遠
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/88
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 王 麗

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池技術領域，特別是涉及一種在質子交換膜上負載催化劑的方法。

背景技術

能源是人類生存和發展的物質基礎，是國民經濟發展的動力。燃料電池發電方式是將燃料和氧化劑分別通入陽極和陰極，通過電極反應將燃料的化學能直接轉換成電能，它不經過熱機過程，不受卡諾循環限制。質子交換膜燃料電池(Proton?Exchange?Membrane?FuelCell，PEMFC)具有能量轉化效率高，比能量大，啟動迅速和環境友好等一系列優點，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發電技術。

膜電極(Membrane&ElectrodeAssembly，MEA)是PEMFC最關鍵的部件，是PEMFC電化學反應能高效進行的核心，其制備技術不但直接影響電池性能，而且對降低電池成本、提高電池比功率和比能量至關重要。膜電極由氣體擴散層、催化劑層和質子交換膜組成。氣體擴散層一般采用經聚四氟乙烯(PTFE)處理的碳紙或碳布，或是在PTFE處理的碳紙或碳布上壓制一層PTFE粘接的碳粉制成多孔結構，其作用是為電極反應提供穩定、快速的氣體傳輸通道和保證電極的強度達到要求。電催化劑采用負載型鉑/炭(Pt/C)或鉑-釕/炭(Pt-Ru/C)，它是目前氫/氧(H₂/O₂)或氫/空氣(H₂/air)PEMFC的首選高活性電催化劑。質子交換膜一般采用具有高的H⁺傳導能力的全氟磺酸型質子交換膜(如美國杜邦公司的Nafion系列膜)。

為了降低電池成本、提高電池比功率和比能量，PEMFC越來越趨向于采用超薄的質子交換膜和低Pt載量的膜電極。這種高功率膜電極的制備方法近期特別受到研究者的重視。MEA通常采用熱壓法制備，其催化劑荷載工藝和高溫高壓的膜電極成型條件對制備超薄膜電極還是有一些困難，這也是CCM(catalyst-coated?membrane，涂敷催化劑的膜，即膜和催化層組成的三合一組件)方法近期得到廣泛關注的原因之一。

質子交換膜和涂覆于其兩側的催化劑層組成CCM，制備好的CCM與擴散層(常規的碳紙、碳布等)組裝形成膜電極，這種制備膜電極的方法也稱為CCM法。CCM法包括噴涂法、真空濺射法、轉印法、電化學和化學沉積法，其中研究和采用較多的是前兩種方法[1]。而與真空濺射法相比，噴涂法操作簡單且不需要復雜的設備，非常適用于規模化操作。

*[1]趙培，木士春，潘牧，袁潤章.PEMFC組件CCM制備方法的評述，電池，35(2005)480-482

發明內容

本發明提出一種燃料電池用質子交換膜上負載催化劑的方法，該方法的主要內容包括噴涂時的操作條件、催化層的結構、噴涂液的組成等等，這些因素直接影響CCM的性能。

質子交換膜上負載催化劑的方法，其特征步驟如下：

1)將Pt/C或PtRu/C催化劑、去離子水和異丙醇混合，超聲振蕩15～30分鐘使其分散均勻；加入Nafion溶液，繼續超聲振蕩15～30分鐘，形成混合液A；其中，溶液中干態Nafion的含量為Pt/C催化劑或PtRu/C催化劑和干態Nafion的總含量的20％～30％；Nafion溶液與異丙醇的質量比為1∶3～1∶8；去離子水與異丙醇的質量比為0.4∶1～1.2∶1；

2)按步驟1)配置混合液B，其中干態Nafion的含量高于第一份混合液，但應不超過35％；

3)將一張質子交換膜置于中央留有通孔的兩片模板中間，固定；

4)將3)中生成的帶有質子交換膜的模板在加熱設備上加熱，溫度控制在40～75℃；

5)將混合液B移入噴槍或噴筆的容器內，在氮氣或空氣的推動下將混合液噴涂在步驟4)所述的膜的一側，然后真空或空氣中干燥；干燥后用同樣條件在形成的催化層上噴涂混合液A，然后真空或空氣中干燥；

6)重復步驟1)～5)過程，在膜的另一側制備催化層，形成CCM。

7)將兩片碳紙或碳布分別置于CCM的兩側，碳紙的邊緣尺寸略大于3)模板通孔邊緣尺寸1~2mm，用少量普通固體膠或密封膠固定，形成膜電極。