[发明专利]膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜电极的制备方法，属于低温燃料电池技术领域。

背景技术

膜电极是燃料电池的核心和关键组件，其性能的好坏直接影响着燃料电池性能的好坏。所以，膜电极的制备方法和工艺研究一直是燃料电池领域最重要的课题之一。燃料电池中燃料和氧化剂在电极上的反应是非常复杂的电催化反应，如，阴极从传质方面来讲，氧气通过扩散层到达阴极，在阴极催化剂表面发生电催化还原反应得到电子与阳极通过质子交换膜传递过来的质子结合生成水，电极反应是气-固-液三相反应体系，所以在阴极中必须有很好的气体传输通道、液体传输通道、电子传输通道和质子传输通道。然而，气体-液体传输又是相互矛盾的，疏水通道对氧气传输有利，而对极性的水的传输能力就差，反之亦然；电子-质子传输也是相互矛盾的，电子的良导体对质子绝缘，而质子的导体，对电子也绝缘。因此，膜电极的制备不是追求那个方面最佳，而是多方面要兼顾，力争达到协调平衡。膜电极制备的最理想的结构应该是传质通道、电子通道和质子通道各自构建而不相互影响。如采用在质子交换膜上垂直排列的纳米碳管，纳米碳管(电子导体)一面沉积Pt纳米颗粒(催化反应部位)，颗粒之间有Nafion树脂(质子导体)形成疏水结构区域(气体通道)，另一面，无纳米碳管进行羰基化反应形成亲水区(液体传输通道)。

现有的膜电极的制备方法有：涂膏法、刷涂法、喷涂法、转压法、自组装法等，阴极中的气体传输通道、液体传输通道、电子传输通道和质子传输通道不是很有序，综合传输性能差，影响膜电极的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新式的膜电极的制备方法，获得的膜电极气体传输通道、液体传输通道、电子传输通道和质子传输通道有序，综合传输性能好，保证了膜电极的性能。

本发明所述的膜电极的制备方法，首先制备阴极和阳极，再将阴极、阳极和Nafion中间膜组合制成三明治结构，其特征在于阴极的制备方法如下：

(1)采用电化学聚合方式在碳纸扩散层表面形成一层规则排列的纳米线聚合物催化剂前体；

(2)将聚合物催化剂前体在氩气保护下，经200～300℃活化处理2h，得到聚合物催化剂；

(3)将Nafion乳液和PTFE乳液分别加入活性碳，在超声波下分散2h，分别用喷枪在不同方向交错喷涂Nafion乳液和PTFE乳液多次，掌握在5～15次，每次喷涂完成均需要真空干燥；

(4)再用胶层Nafion乳液喷涂，经真空干燥制得外胶层，制得阴极。

其中：

扩散层为常规的扩散层，由碳粉、聚四氟乙烯(PTFE)、异丙醇和水组成的膏状物刮涂而成。其制备方法为：5～15wt％的PTFE乳液(美国Du pont公司)15mL，加入15mL异丙醇，在搅拌下加入50mg的活性碳(XC-72)，超声分散2h，得到分散均匀的悬浊液，在鼓风干燥箱60～70℃下浓缩至膏状，用刷涂的方法涂饰到2×2cm²的T-90碳纸表面(日本东丽公司)，涂层厚度在0.2～0.5mm，自然晾干，在电炉内在200℃～300℃加热2h，获得具有扩散层的碳纸。

纳米线聚合物有聚吡咯掺杂过渡金属元素、聚苯胺掺杂过渡金属元素、聚合酞菁配合物和聚合卟啉配合物等。

聚吡咯的电化学聚合方式为：

环境条件：溶剂为纯水，电解质为高氯酸锂，工作电极为涂有扩散层的碳纸，参比电极为饱和甘汞电极；

向含有0.3～0.5mol/L的吡咯的溶液中通氮气15～35min，然后，在0.7～0.9V下恒电位聚合70～120s，得到聚吡咯纳米线。

聚吡咯纳米线掺杂过渡金属元素的催化剂前体的方法为：

得到的聚吡咯纳米线在金属盐溶液中在0.5～0.9V下电沉积得到聚吡咯纳米线掺杂过渡金属元素的催化剂前体，过渡金属离子选Fe²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Mn²⁺，或Pt²⁺。根据电沉积的时间长短来控制金属沉积的量。

聚苯胺的电化学聚合方式为：

环境条件：溶剂为纯水，电解质为高氯酸锂，工作电极为涂有扩散层的碳纸，参比电极为饱和甘汞电极；

向浓度为0.5～0.8mol/L的苯胺的溶液中通氮气15～35min，然后，在0.7～0.90V下恒电位聚合120～149s，得到聚苯胺纳米线。

聚苯胺纳米线掺杂过渡金属元素的催化剂前体的方法为：