[发明专利]直接醇类燃料电池的膜电极集合体的阴极结构和制作方法

权利要求书

1.一种直接醇类燃料电池的膜电极集合体，所述的膜电极集合体以碳纸或碳布为支撑层，在支撑层上涂覆由碳材料与聚四氟乙烯粘结剂组成的阳极或阴极的微孔层，再涂覆贵金属基催化剂和Nafion树脂组成的墨水，通过热处理，将阳极、阴极和Nafion膜热压而成，其特征在于所述的阴极微孔层为内、外两层的双微孔层；

其中，①阴极内微孔层所用的碳材料为XC-72、XC-72R、Black Pearls2000、乙炔黑、Ketjen Black或碳纳米管；

②阴极外微孔层所用的碳材料为XC-72、XC-72R、Black Pearls 2000、乙炔黑、Ketjen Black和碳纳米管的一种或两种以上混合物；

③所述的热处理温度为120～160℃，热处理气氛为空气、氮气或氩气；

④所述的热压温度为125～145℃，热压压强为4～8MPa。

2.按权利要求1所述的膜电极集合体，其特征在于在阴极内外两层的双微孔层上涂覆用的碳材料为相同的碳材料或不同的碳材料。

3.按权利要求2所述的膜电极集合体，其特征在于阴极外微孔层的聚四氟乙烯质量百分含量控制在5-30％；阴极内微孔层的聚四氟乙烯质量百分含量控制在30-60％。

4.制作如权利要求1所述的直接醇类燃料电池的膜电极集合体的方法，其特征在于：

(1)微孔层碳浆液的制备：将一定量的碳材料和粘结剂聚四氟乙烯超声分散于异丙醇水溶液中，形成均匀的碳浆液；按每毫克碳材料0.01～0.5mL量加入异丙醇和水的混合溶液，其中异丙醇和水的体积比控制在0.5～3，粘结剂占总固体量的5～60％；

(2)阴极内、外两层双微孔层和阳极微孔层的制备：以碳纸或碳布为电极的支撑层，将步骤(1)所制得的碳浆液通过刷涂、刮涂或喷涂均匀涂覆在碳纸或碳布支撑层上，经320～360℃空气或氮气或氩气中热处理0.5～3h，即得到支撑层负载的微孔层，微孔层碳载量控制为0.3～4mgcm^-2；其中，阳极微孔层所用碳材料为XC-72、XC-72R、Black Pearls 2000、乙炔黑、Ketjen Black 或碳纳米管，聚四氟乙烯质量百分含量控制在5～30％；阴极外微孔层所用碳材料为XC-72、XC-72R、Black Pearls 2000、乙炔黑、Ketjen Black和碳纳米管中的一种或两种以上混合物；聚四氟乙烯质量百分含量为5～30％；阴极内微孔层所用碳材料为XC-72、XC-72R、Black Pearls 2000、乙炔黑、Ketjen Black或碳纳米管；阴极内、外两层的双微孔层是用两种不同组成配比的碳浆液涂覆于同一支撑层上形成的；其中，阴极外微孔层的聚四氟乙烯质量百分含量控制在5-30％；阴极内微孔层的聚四氟乙烯质量百分含量控制在30-60％；

(3)催化层墨水的制备：催化墨水包括贵金属基催化剂、Nafion树脂和分散剂，其中催化剂包含Pt-Ru基或Pt基的碳载或非负载的纳米催化剂；Pt催化剂被用作阴极催化剂；将一定量催化剂和Nafion溶液超声分散于异丙醇水溶液中，其中，Nafion树脂占催化剂干重的10％～40％；按0.01～0.5mLmg^-1的量加入水和异丙醇的混合液作分散剂，水和异丙醇的体积比为0.5～3，经磁力搅拌6～24h，再超声分散0.5～3h，得到催化剂墨水；

(4)催化层的制备：将步骤(3)所制得的催化剂墨水通过喷涂、刮涂或刷涂均匀涂覆在步骤(2)制备的阳极微孔层或阴极双微孔层上，然后在120～160℃空气、氮气或氩气中热处理，即形成附有催化剂层的阳极或阴极；其中，阳极和阴极催化层中贵金属催化剂的载量控制在2～8mgcm^-2；

(5)膜电极集合体的制备：将步骤(4)制备的附有催化剂层的阳极、阴极和Nafion膜在125～145℃、4～8MPa下热压即制得所述的膜电极集合体。

5.按权利要求4所述的膜电极集合体的制作方法，其特征在于：

(a)步骤(1)中形成均匀的碳浆料的搅拌时间为2-8h；

(b)步骤(2)中作为支撑层的碳纸或碳布厚度为10μm-2mm；

(c)步骤(4)中热处理时间为3-30min；

(d)步骤(5)中所述的热压时间为2-5min。