[發明專利]一種堿性陰離子交換膜燃料電池膜電極的制備方法

有效

• 申請號: 201310086097.8
• 申請日: 2013-03-18
• 公開（公告）號: CN104064793A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 俞紅梅;楊冬蕾;趙云;劉艷喜;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/08
• 分類號: H01M8/08
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.一種堿性陰離子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，該膜電極的結構包括依次疊合的陽極氣體擴散層、陽極催化層、陰離子交換膜、陰極催化層和陰極氣體擴散層；

所述膜電極中陰離子交換膜由多孔基膜和交聯的陰離子交換樹脂組成；

催化層由電催化劑和交聯的陰離子交換樹脂組成，陰離子交換膜與催化層通過陰離子交換樹脂間相互交聯形成結合緊密的整體；

氣體擴散層為支撐層或依次疊合的支撐層和微孔層；

所述膜電極按如下過程獲得，

（1）將陰離子交換樹脂分散到低沸點有機溶劑中制備成陰離子交換樹脂溶液，所述樹脂在溶液中的質量百分數為0.02-2%；

（2）將陰極電催化劑、陽極電催化劑分別于上述陰離子交換樹脂溶液中超聲分散0.1-24小時后制成陰極催化層前驅體漿料和陽極催化層前驅體漿料；電催化劑與陰離子交換樹脂的質量比為1:10-10:1；

（3）將上述陰、陽極催化層前驅體漿料采用噴涂、刮涂、刷涂或印刷的方法直接涂覆于陰離子交換膜兩側，溶劑揮發完畢即形成催化劑覆膜電極；

或者，先對陰離子交換膜一側或兩側進行修飾，即涂覆步驟（1）所述陰離子交換樹脂溶液，所述樹脂于膜上的擔量為0.01-1mgcm^-2,再按上述方法制備催化劑覆膜電極；

（4）陰極支撐層、陽極支撐層即為陰極導電基底、陽極導電基底；

A．將導電基底浸漬到疏水劑溶液中進行疏水化處理，處理后疏水劑擔載于基底的質量在5-40%之間，再將進行疏水化處理后的導電基底于200-360°C的氮氣或氬氣中焙燒0.5-3小時；即得疏水化導電基底，可作為陰極支撐層或陽極支撐層,也可直接作為陰極氣體擴散層或陽極氣體擴散層；

或B．將碳材料和粘結劑溶液置于乙醇或異丙醇中，超聲分散0.1-24小時，形成均勻微孔層前驅體漿料，其中碳材料與粘結劑的質量比為1:10-10:1；將上述微孔層前驅體漿料采用噴涂、刮涂、刷涂或印刷的方法制備到導電基底或步驟（4）A制備的疏水化導電基底上，于200-360°C的氮氣或氬氣中焙燒0.5-3小時，冷卻后得到帶有微孔層的導電基底，可作為陰極氣體擴散層或陽極氣體擴散層；

（5）將步驟（3）制得的催化劑覆膜電極夾在步驟（4）A或B制得的陰、陽極氣體擴散層中間，于20-150°C的溫度及0.01-2MPa的壓力下熱壓30-600秒，制成膜電極。

2.按照權利要求1所述的膜電極的制備方法，其特征在于：步驟（1）所述低沸點有機溶劑對陰離子交換樹脂和電催化劑均具有良好分散能力，為乙醇、正丙醇、異丙醇、丁醇、丙酮、乙二醇、四氫呋喃、乙酸丁酯中的一種或二種以上的混合溶劑。

3.按照權利要求1所述的膜電極的制備方法，其特征在于：步驟（1）所述陰離子交換樹脂為可交聯的具有陰離子交換功能的樹脂，為季銨鹽型陰離子交換樹脂、季磷鹽型陰離子交換樹脂、PBI類樹脂或冠醚類陰離子交換樹脂。

4.按照權利要求1所述的膜電極的制備方法，其特征在于：步驟（2）所述陰、陽極電催化劑活性組分為納米級的金屬粒子Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Sn、Fe、Co、Ni、Mo、Cr、W、V中的一種或二種以上，或它們的氧化物，電催化劑活性組分在膜電極上的擔量為0.1-2mgcm^-2。

5.按照權利要求1所述的膜電極的制備方法，其特征在于：步驟（2）所述陰離子交換膜為由多孔基膜和交聯的陰離子交換樹脂組成的具有陰離子交換功能的隔膜，為季銨鹽型陰離子交換膜、季磷鹽型陰離子交換膜、PBI膜或冠醚類陰離子交換膜，所述離子交換膜的厚度為10-200μm。

6.按照權利要求1所述的膜電極的制備方法，其特征在于：步驟（4）所述導電基底為碳布、碳紙、泡沫金屬或其它能夠導電并具有多孔結構的材料，厚度為0.01-2mm。

7.按照權利要求1所述的膜電極的制備方法，其特征在于：步驟（4）所述疏水劑為聚全氟異丙烯、聚四氟乙烯、或聚偏四氟乙烯。

8.按照權利要求1所述的膜電極的制備方法，其特征在于：步驟（5）所述碳材料為活性炭、石墨、乙炔黑、富勒烯、碳纖維、碳納米管、碳納米角中的一種或二種以上；微孔層上碳材料的載量為0.1-10mgcm^-2。

9.按照權利要求1所述的膜電極的制備方法，其特征在于：步驟（5）所述粘結劑為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯、或聚醋酸乙烯酯。