[發明專利]一種用于制備質子交換膜燃料電池的催化層結構的方法

有效

• 申請號: 201310207900.9
• 申請日: 2013-05-30
• 公開（公告）號: CN103280583A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 隋升;蘇凱華;姚先擁;何岸;毛利偉
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/02;B82Y30/00
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 劉萬磊

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池技術領域，具體地說是一種用于制備質子交換膜燃料電池的催化層結構的方法。

背景技術

燃料電池是一種清潔、高效、長壽命的發電裝置。燃料電池與常規的發電技術相比，在效率、安全性、可靠性、靈活性、清潔性、操作性等方面有很大的優勢，應用前景十分廣闊。作為燃料電池中的一種，質子交換膜燃料電池還具有操作溫度低、比能量高、使用壽命長、響應速度快以及無電解質泄漏等優點，在國防、能源、交通、環保、通訊等方面都有很好的應用前景。

質子交換膜燃料電池的核心部件是膜電極（Membrane?Electrode?Assembly,MEA），由陽極、陰極和聚合物電解質膜（或稱質子交換膜）構成，其中電極（包括陽極和陰極）由擴散層和催化層構成；擴散層由導電的多孔材料構成，起到支撐催化層、收集電流、傳導氣體和排出水等作用。催化層由催化劑和聚合物電解質構成，是電化學反應的場所。在催化層中進行的電化學反應既要有反應氣體的供給，又要有電子和質子的傳導和授受，電化學反應是在同時具有反應氣體、質子和電子的三相界面上進行的。催化層中的催化劑粒子既起催化作用又起傳導電子的作用，聚合物電解質起傳導質子的作用，電極中的微孔起到傳遞反應物（氫氣、氧氣）和生成物（水）的作用。目前最好的質子交換膜燃料電池催化劑仍然是貴金屬鉑，因此鉑催化劑是決定質子交換膜燃料電池性能和造價的重要因素。要提高膜電極的性能，除開發新的催化劑和高性能聚合物電解質膜以外，改進催化層的結構設計和制備過程也是非常重要的。

傳統的催化層主要由以下三種方法制備而成：一種是將制備好的碳載鉑催化劑與一定量的固體高分子電解質溶液均勻混合后，噴涂到氣體擴散層上，在一定溫度下干燥，制得燃料電池電極。在這種方法中，高分子電解質既作為質子導體，又作為粘結劑；電解質是高分子有機聚合物，難免包覆一部分催化劑，使得催化劑不能被全部利用。另外一種是將制備好的上述碳載鉑催化劑與高分子電解質溶液混合成漿液，直接噴涂到聚合物電解質膜上。這種方法簡便易行，提高了電極制備的效率并且簡化了工藝流程，催化劑與質子導體聚合物接觸良好，但是催化層的孔隙率較低，不利于氣體擴散過程，而且電極催化劑的利用率以及三相反應界面還有待提高。第三種是將制備好的碳載催化劑與一定量的固體高分子電解質溶液混合均勻后，將其噴涂到一種中間介質上，然后再通過加熱加壓將其轉印到質子交換膜上，這種方法可以有效的避免膜遇到溶劑時發生溶脹變形，催化層與膜接觸良好，但工序較為繁瑣，并且仍存在催化劑的利用率和三相反應界面有待提高的問題。綜上所述，傳統催化層的制備方法通常得到的厚度是10-20微米，增加了質子的傳導路徑和氣體的擴散路徑，并且不可避免地有一部分催化劑被電解質樹脂包覆而導致這部分催化劑不能參與電化學反應，降低了催化劑的利用率，三相反應界面有待提高。

對現有技術的專利檢索，發現公開號為CN102157741A的專利公開了一種新型超薄質子交換膜燃料電池膜電極的制作方法，其采用等離子體增強化學氣相沉積的方法制備碳納米管，再將鉑納米粒子濺射到碳納米管上形成電極。這種超薄的質子交換膜結構存在鉑主要沉積在碳納米管表層，存在鉑的比表面小等問題。

本發明針對上述質子交換膜燃料電池催化層結構制備過程的不足，提出一種新的原位化學還原沉積制備薄層催化層結構的方法。

發明內容

本發明的目的在于針對傳統質子交換膜燃料電池催化層結構的不足，提出一種新的用于制備質子交換膜燃料電池的薄層催化層結構的方法，所解決的技術問題是減少氣體擴散、離子和電子傳導阻力（路徑距離），從而提高催化劑的利用率和電池性能。

本發明的原理為：首先在電解質膜（或稱質子交換膜）上均勻噴涂一層薄碳粉層作為基體，其次將該電解質膜浸漬在含有鉑前驅體溶液中，用弱還原劑將其中的鉑還原，在碳粉薄層上生長形成鉑納米線，最后再在其上均勻噴涂一層薄電解質，形成“三相界面”，并與擴散層熱壓形成“膜電極”。

該方法的具體步驟如下：

（1）將碳粉和電解質樹脂溶液加入到異丙醇中得到混合液，超聲處理使所述混合液混合均勻，然后將所述混合液分散到質子交換膜上，干燥處理，使膜上形成一層碳粉層，即制得具有碳粉層的質子交換膜；

（2）將所述的具有碳粉層的質子交換膜浸入到含有鉑前驅體和弱還原劑的溶液中，在室溫下靜置48-72小時，取出質子交換膜，用去離子水將質子交換膜反復沖洗幾次，然后進行干燥處理，即制得在碳粉層上沉積了鉑納米線催化劑的質子交換膜；