[发明专利]膜电极的制备方法和膜电极

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种膜电极的制备方法和一种膜电极。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种将存储在甲醇和空气或氧气中的化学能直接转化为电能的发电装置，其显著的优点是：燃料来源丰富，成本低廉和易携带存储，理论能量密度高，电池工作时燃料直接进料，无需重整处理，结构简单易于操作。

被动式直接甲醇燃料电池是把液体甲醇直接加入到电池的燃料仓，甲醇依靠多孔电极材料的毛细作用扩散到阳极上发生氧化还原反应，电池阴极直接暴露在自然空气中，空气中的氧气直接通过浓差扩散和空气对流等扩散传递方式到达阴极催化层进行电化学还原反应。最近兴起的被动式直接甲醇燃料电池省去了电池系统内部燃料和氧化剂的输送以及控温装置。由于简化了直接甲醇燃料电池结构系统，减少了附加设备的能量损失，能够实现微型化和更高的比能量，因此被动式直接甲醇燃料电池将在众多燃料电池中率先实现产业化和实用化。

膜电极集合体(MEA)是被动式直接甲醇燃料电池的核心部件，是由阳极支撑层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极支撑层依次紧密结合构成的层状叠合体。膜电极既是反应物传输的介质又是电极反应进行的场所，其结构和特性直接影响到被动式直接甲醇燃料电池的性能。

目前质子交换膜的甲醇透过问题是限制被动式直接甲醇燃料电池发展的主要因素。甲醇透过会在阴极产生混合电位，不仅严重降低了阴极催化剂活性，而且造成了燃料的浪费。虽然甲醇燃料电池的理论能量密度比锂离子高，可由于甲醇透过的存在，极大的限制了被动式直接甲醇燃料电池的能量密度。研究者对高浓度甲醇进料方式的燃料电池进行了诸多研究，主要目的是将高浓度甲醇进行稀释以减弱甲醇透过的负面影响。例如在阳极应用多孔碳板、水凝胶涂层、渗透汽化膜或者补水仓等材料或装置以减缓高浓度甲醇或纯甲醇的扩散速度，将阳极催化层的甲醇浓度控制在适宜电池运行的浓度范围内。尽管这些方式在一定程度上可以实现高浓度进料，但是其结构比较复杂，增加了电池组装的难度和成本，尤其没有有效的解决高浓度甲醇条件下阳极反应水分缺乏的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种甲醇燃料电池的膜电极，通过本发明提供的膜电极，能够有效的解决高纯度甲醇条件下阳极反应缺水的问题。

本发明提供了一种膜电极的制备方法，包括以下步骤：

a)将支撑体在聚四氟乙烯乳液中浸渍后第一热处理，得到阴极支撑层，所述阴极支撑层中聚四氟乙烯含量为40wt％～60wt％；

在所述阴极支撑层表面涂敷由碳粉、聚四氟乙烯乳液、造孔剂和有机溶剂组成的浆液后第二热处理，得到阴极微孔层，所述阴极微孔层中聚四氟乙烯含量为30wt％～50wt％；

在所述阴极微孔层表面涂覆由阴极催化剂、全氟磺酸聚合物溶液和有机溶剂组成的浆料后干燥，得到阴极催化层，所述阴极催化层中全氟磺酸聚合物含量为5wt％～20wt％，得到阴极；

b)将支撑体在聚四氟乙烯乳液中浸渍后第三热处理，得到阳极支撑层，所述阳极支撑层中聚四氟乙烯含量为10wt％～20wt％；

在所述阳极支撑层表面涂敷由碳粉、聚四氟乙烯乳液、造孔剂和有机溶剂组成的浆液后第四热处理，得到阳极微孔层，所述阳极微孔层中聚四氟乙烯含量为10wt％～30wt％；

在所述阳极微孔层表面涂覆由阳极催化剂、全氟磺酸聚合物溶液和有机溶剂组成的浆料后干燥，得到阳极催化层，所述阳极催化层中全氟磺酸聚合物含量为10wt％～30wt％，得到阳极，所述阳极催化层中全氟磺酸聚合物的含量高于阴极催化层中全氟磺酸聚合物的含量；

c)将质子交换膜置于所述阴极和所述阳极之间热压，得到膜电极；

所述步骤a)和步骤b)顺序没有先后限制。

优选的，所述聚四氟乙烯乳液中聚四氟乙烯的含量为40wt％～60wt％。

优选的，所述碳粉为导电炭黑或碳纳米管。

优选的，所述造孔剂为碳酸氢铵、氯化铵和草酸铵。

优选的，所述有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇或丙三醇。

优选的，所述全氟磺酸聚合物溶液中全氟磺酸聚合物的含量为3wt％～10wt％。

优选的，所述第一热处理的温度为330℃～350℃，时间为30min～60min；所述第二热处理的温度为330℃～350℃，时间为30min～60min；所述第三热处理的温度为330℃～350℃，时间为30min～60min；所述第四热处理的温度为330℃～350℃，时间为30min～60min。