[发明专利]膜电极催化层、气体传感器的制备方法和气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及膜电极技术领域，具体涉及一种膜电极催化层、气体传感器的制备方法和气体传感器。

背景技术

燃料电池以其清洁、便携、且能够提供可再生的能源等优点，在军事领域，热电供应领域，空间技术领域，通信设备备有电源领域，运输领域，便携式电器领域等发挥着越来越重要的作用。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)是当前燃料电池领域发展中最快的一种。而膜电极(MEA，Membrane Electrode Assembly)是质子交换膜燃料电池的关键组成部分，其性能对PEMFC的整体性能有十分重要的影响。如何通过低成本制造出高效、可靠的MEA是现阶段研究的主要方向。

如图1所示，通常MEA的结构示意图，包括：扩散层1，整平层2，催化层3，质子交换膜(PEM，Proton Exchange Membrane)4，催化层5，整平层6，和扩散层7。其中，以质子交换膜4为界限，将MEA分为阴阳两极。需要说明的，在本文件中，是以扩散层1，整平层2，和催化层3一侧为阳极，以催化层5，整平层6，和扩散层7一侧为阴极进行说明的。质子交换膜4可以使得阳极产生的质子穿过，且防止阴极产生的电子穿过(即防止阴、阳极短路)和防止质子交换膜4两侧气体穿过自身。扩散层1和扩散层7通常是由碳纸，或者碳布之类的材料制成，起到支持、导电、扩散颗粒、分散颗粒的作用；整平层2和整平层6通常是由碳粉和聚四氟乙烯(PTFE，即特氟龙)组成，起到通道再造，气体、水分调节等作用；催化层3和催化层5主要由催化剂碳载铂(Pt/C)和Nafion树脂组成，是燃料电池中化学反应的核心。

现有技术提供了一种制备质子交换膜燃料电池MEA催化层的方法，包括以下步骤：

步骤1：将催化剂与有机质子导体、杂多酸盐、有机溶剂混合成料浆；催化剂、有机质子导体、杂多酸盐与有机溶剂的质量比为10∶1～10∶1～10∶100～1000；

步骤2：将该料浆均匀的制作在气体扩散层或者是质子交换膜的一侧的表面上，形成带有催化层的电极前驱体；

步骤3：将该带有催化层的电极前驱体干燥，支撑质子交换膜燃料电池电极。

其中上述现有技术制备的浆料中，催化剂是铂金(Pt)、铝(Au)、钌(Ru)、铷(Rh)、银(Ag)、铱(Ir)、钯(Pd)、钴(Co)、铁(Fe)、钛(Ti)、锰(Mn)中的一种或一种以上；或者为它们中一种以上的碳载催化剂，催化活性组分的担载量是20～80wt.％；所述杂多酸盐为最好为不溶性杂多酸，分子式为YnH3-nXM12O40，YnH6-nXM18O62(Y＝Cs；X＝p，Si；M＝Mo，W)如磷钼酸的各种铯盐、磷钨酸的各种铯盐。硅钼酸的铯盐、硅钨酸的各种铯盐等。

上述现有技术中，有机质子导体为全氟或部分氟化的固体有机质子电解质，如来自于美国杜邦(DuPont)公司的Nafion溶液，来自日本Asahi Chemical公司的Flemion溶液或Aciplex溶液。所述催化剂、有机质子导体与杂多酸盐的优选质量比为1∶2～5∶2～5∶50～500。

在对现有技术的研究和实践过程中，本发明的发明人发现：现有技术中，是通过大量实验摸索出的一种制备PEMFC中MEA催化层的方法，在制备过程中所使用的各种原料的用量是通过实验操作人员多次尝试总结，该技术没有可靠的理论依据，使得制备的催化层中有些材料在MEA的使用中，并未发挥到作用，导致催化层化学反应效率不高，而且，导致催化层中的部分材料浪费，增加了制备催化层的成本。

发明内容

本发明实施例提供一种膜电极催化层的制备方法，使得在制备催化层更高效，降低了制备催化剂层的成本。

本发明实施例提供了一种膜电极催化层的制备方法，包括：配置包含催化剂的料浆，用配置的料浆制备膜电极的催化层；所述配置包含催化剂的料浆具体包括：

将碳载催化剂加水湿润；

对碳粉颗粒进行亲水处理，使得所述碳粉颗粒之间紧密堆积；

根据碳粉颗粒紧密堆积后的占空比，碳载催化剂的质量比，和当前使用的碳载催化剂的质量，计算出填充所述紧密堆积的碳粉颗粒之间孔隙的有机质子导体的质量；

将质量大于或者等于所述计算出的有机质子导体的质量的有机质子导体，加入到亲水处理后的混合料浆中；

搅拌当前的混合料浆，从而得到所述包含催化剂的料浆。