[发明专利]燃料电池复合电极的制备方法及其测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池复合电极的制备方法及其测试装置。

背景技术

燃料电池从发明到现在已有很长的历史，60年代，燃料电池已成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。进入21世纪以后，燃料电池的技术已经日趋完善。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。

   燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集成式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。

本发明是利用先进的新型材料单壁碳纳米管薄膜在燃料电池复合电极方面的研究项目，其依据是利用单壁碳纳米管薄膜所具有的超大表面积、良好的化学稳定性和优异的力学性能。此项研究对于研发新型、低成本、有商用化前景的燃料电池具有重要意义。

MEA是质子膜燃料电池（PEMFC）的电化学心脏，正是因为它的变化，才使得PEMFC呈现了今天的蓬勃生机。早期的复合电极用Pt量高达10mg/cm²，Pt的利用率很低。后来，为增加Pt的利用率，使用了Pt/C催化剂，但Pt的利用率仍非常低，直到80年代中期，PEMFC复合电极的Pt载量仍高达4mg/cm²。80年代中后期，美国Los Alamos 国家实验室（LANL）提出了一种新方法，采用Nafion质子交换聚合物溶液浸渍Pt/C多孔气体扩散电极，再热压到质子交换膜上形成复合电极。此法大大提高了贵金属Pt的利用率，将复合电极的载铂量降到了0.4mg/cm²。1992年，LANL对该法进行了改进，使复合电极的Pt载量进一步降低到0.13 mg/cm²。1995年印度电化学能量研究中心（CEER）采用喷涂浸渍法制得了Pt载量为0.1 mg/cm²的复合电极，性能良好。据报道，现在LANL试验的一些单电池中，复合电极上铂载量已降到0.05mg/cm²。利用单壁碳纳米管薄膜为载体，将进一步降低贵金属催化剂Pt的用量。

我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。

燃料电池是一种正在逐步完善的能源利用方式。其投资正在不断的降低，目前PEMFC的国外商业价格为10000元/kW，PAFC的价格为21000/kW。国内富原公司公布其PEMFC接受订货的价格为10000元/kW。其他燃料电池国内暂无商业产品。 

燃料电池作为先进的新型的能源将有很大的发展，燃料电池汽车、电动自行车等将随着石油价格的不断上涨而逐渐进入市场；另一方面，燃料电池供电及汽车、电动车的大量使用，可以有力抑制环境不断污染和地球温暖化。燃料电池和太阳能电池一样必将受到人们的欢迎。

燃料电池所用的金属催化剂多数为贵金属，由此造成燃料电池成本过高，尽管燃料电池有诸多优势，但是，至今仍难以大规模推广和利用。本发明尽可能采用价格相对低廉的单种金属或二﹑三元金属合金，可以降低燃料电池的制造成本，有利于燃料电池的在各个领域的大量应用。

目前，燃料电池复合电极上的金属催化剂多采用喷涂、涂抹、用胶水粘贴等工艺，由此，多存在贵金属消耗量大和分布不均匀等问题，此外，金属催化剂担载量也难以有效控制，更严重的是采用上述方法有的工艺复杂，有的金属催化剂的效能低下。本发明采用电镀方法，可以简单、快速、有效地将各种金属催化剂镀覆在复合电极上，并能通过对电镀的时间、电压等进行控制，并采用了先进的具有巨大表面积的碳纳米管薄膜等先进材料，实现金属催化剂担载量、催化效能、复合电极制备工艺等方面达到先进水平。采用自行研发的燃料电池测试装置，满足了燃料电池性能测试的需要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种燃料电池复合电极的制备方法及其测试装置。

燃料电池复合电极的制备方法的步骤如下