[發明專利]一種高功率密度的質子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201611177018.4
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106784943B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 廖世軍;侯三英;池濱;劉廣智;舒婷;宋慧宇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

1.一種高功率密度的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）將質子交換膜依次用雙氧水、硫酸進行氧化、酸化預處理，然后置于去離子水中保存備用；使用時，取出質子交換膜，吸干表面水分，將其固定于特制工裝中用于涂裝陽極和陰極催化層；所述質子交換膜為具有不同厚度的聚合物固體電解質；

（2）將碳納米管或者碳纖維進行預處理；

（3）將碳載鉑催化劑或者鉑與其它金屬的合金催化劑、全氟磺酸聚合物、經過預處理的碳納米管或碳纖維以及易揮發性溶劑按10:2-5:0-5:200-2000的質量比混合后，經0.5-2小時超聲分散處理后制成墨水狀漿料，再采用噴涂或刷涂工藝將該墨水狀漿料涂覆在質子交換膜的一側，Pt的載量控制在0.1-1mg cm^-2之間，然后將涂覆好催化層的質子交換膜在50-80 ℃下熱處理20-60分鐘，即制得含有碳納米管的陰極催化層；

（4）將碳載鉑催化劑或者鉑與其它金屬合金的催化劑、全氟磺酸聚合物和易揮發性溶劑按10:2-5:200-2000的質量比混合后，經0.5-2小時超聲波震蕩后分散成墨水狀漿料，將該漿料噴涂在經步驟（3）處理之后的質子交換膜的另一側，Pt的載量控制在0.05-0.4mgcm^-2之間，然后將噴涂好的質子交換膜在50-80 ℃下烘烤20-60分鐘，制得膜電極的陽極催化層；

完成在質子交換膜兩面分別涂覆陽極催化層和陰極催化層，得到為三合一膜電極；

（5）將碳紙進行疏水處理；

（6）將XC-72碳粉、聚四氟乙烯乳液、碳納米管或碳纖維和易揮發性溶劑按10:1-4:0-5:200-2000的質量比混合，超聲分散30-80分鐘，制成墨水狀漿料，采用噴涂及刷涂工藝將該漿料涂覆到經過疏水化處理的碳紙的一側，碳粉、碳納米管或者碳纖維的載量控制在2.4-3.4 mg cm^-2，將噴涂好的碳紙在50-80℃下烘烤20-60分鐘，干燥后在340-430℃下焙燒0.5-2小時，制得陰極氣體擴散層；所述聚四氟乙烯乳液的質量百分比濃度為10-25 wt%；

（7）將XC-72碳粉、聚四氟乙烯乳液和易揮發性溶劑按10:1-4: 200-2000的質量比混合，超聲分散30-80分鐘制得墨水狀漿料，將該漿料采用噴涂或者刷涂的方法涂覆到經過疏水化處理的碳紙的一側，將噴涂好的碳紙在50-80℃下烘烤20-60分鐘，干燥后在340-430℃下焙燒0.5-2小時，制得陽極氣體擴散層；所述聚四氟乙烯乳液的質量百分比濃度為10-25wt%；

（8）將經（6）和（7）處理之后的兩張氣體擴散層分別貼合在經步驟（4）噴涂好陰陽極催化層的質子交換膜的兩側，110-150度熱壓3-5分鐘，然后進行封邊處理；即制得陰極催化層或氣體擴散層含有碳納米管的五合一膜電極。

2.根據權利要求1所述的高功率密度的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于，所述的質子交換膜為厚度分別為20 到 50 微米的氫質子交換膜。

3.根據權利要求1所述的高功率密度的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于，所使用了高鉑含量的催化劑，催化劑為Pt含量為20% - 60%的Pt/C或者PtM/C催化劑，其中M為 Ru、Pd或 Au。

4.根據權利要求1所述的高功率密度的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于，所述全氟磺酸聚合物以全氟磺酸聚合物溶液的形式添加，所述全氟磺酸聚合物溶液為質量百分濃度為2-5%的Nafion溶液。

5.根據權利要求1所述的高功率密度的質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于，所述易揮發性溶劑為蒸餾水、乙醇或異丙醇中的一種以上。