[发明专利]一种用于纯液体燃料电池的超薄膜电极及其制备方法和应用

说明书

本发明为一种用于纯液体燃料电池的超薄膜电极及其制备方法和应用。该膜电极的组成依次为阳极支撑层、阳极催化层、离子交换膜、阴极催化层和阴极支撑层；所述的阳极支撑层和阴极支撑层均为碳纸或碳布，所述的阳极催化层为多孔金属合金薄膜；所述的阴极催化层为负载有活性组分的多孔金属层。本发明利用多孔金属合金薄膜或者多孔金负载铂利于传递物质、电子以及高比表面积的优势，在一定程度上解决了高密度与高通透性的结构问题和高活性与高稳定性的材料问题。

技术领域

本发明涉及一种用于纯液体燃料电池的超薄膜电极及其制备方法，具体而言，涉及一种以多孔金属或者多孔金属合金薄膜为催化层来构筑超薄膜电极以及膜电极的制备方法。

背景技术

20世纪建立起来的庞大能源系统已无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系要求，所以研究一种高效、清洁的新型能源系统是解决上述问题的重要途径。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。因其能量转化不受卡诺循环的限制，且产物对环境基本无污染，具有广阔的发展前景。与其他类型的燃料电池相比，起源于质子交换膜燃料电池的纯液体燃料电池得到广泛的关注,用于纯液体燃料电池阳极的燃料如甲醇、甲酸、肼、硼氢化钠等具有比能量高、理论开路电位高、易于运输存储的优势，用于纯液体燃料电池阴极的双氧水氧化剂具有反应速率快、理论反应电位高的优势，因此，纯液体燃料电池是作为便携式电源和移动式电源的最佳候选。

传统燃料电池膜电极的催化剂多为碳载型粉末催化剂，即活性组分以纳米颗粒的形式担载在高比表面积碳载体材料上。一方面在碳载型催化剂中，活性组分与载体之间只存在物理吸附作用，在使用过程中活性组分纳米粒子很容易在载体表面迁移、团聚长大，造成催化剂活性表面积降低，进而导致燃料电池膜电极在使用过程中性能逐渐下降，工作寿命缩短、可靠性下降。另一方面，粉末催化剂在作为电极材料使用时需与导质子的nafion树脂、导电子的碳粉混合后喷涂到带有微孔扩散层的碳纸上，催化剂颗粒必须与导质子体、导电子体同时接触才能将反应中产生的质子和电子传导出去，因此，该工艺容易导致部分催化剂颗粒与nafion树脂或碳粉接触不良、不能发挥效用，导致催化剂的担载量较高，成本提升。

膜电极是燃料电池的核心部件，传统工艺制备的膜电极是7层结构，具体的连接方式是离子交换膜为中心层居中，两侧由内到外依次为催化层、微孔扩散层和支撑层；其中催化层是燃料氧化和氧化剂还原的电化学反应发生场所；微孔扩散层具有重要的液/气管理功能，具有适当比表面积和孔体积的微孔扩散层可以有效改善燃料电池中液体和气体的传递，降低电池在高电流密度区的浓差极化，传统工艺制备的膜电极微孔扩散层和催化层总厚度数值较大，总厚度范围达到100μm～200μm。过大的厚度会使体积功率密度降低，从而影响燃料电池商业化的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的缺点，提供一种纯液体燃料电池的超薄膜电极及其制备方法。该材料以“多孔金属合金薄膜”或者“多孔金属负载活性组分”为基础直接制备5层结构的超薄膜电极。制备过程中，通过适合的溅射参数，得到三元合金，进而通过碱液腐蚀方法得到阳极催化层；再通过酸液将金银合金腐蚀制备出多孔金，进而利用肼蒸气还原附着在多孔金上的铂离子得到阴极催化层。本发明利用多孔金属合金薄膜或者多孔金负载铂拥有双连续的金属韧带和孔穴的优势，包括连续金属韧带提供快速的电子传导性能、连续的孔穴可作为通畅的传质通道、高比表面积的金属韧带提供充足的化学反应位点，以此来实现传统粉末型催化剂制备膜电极中催化层和微孔扩散层的双重功能，将膜电极结构由7层降为5层，在提升膜电极面积功率密度的同时，降低膜电极厚度，进一步提高纯液体燃料电池的体积功率密度。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种用于纯液体燃料电池的超薄膜电极，该膜电极的组成依次为阳极支撑层、阳极催化层、离子交换膜、阴极催化层和阴极支撑层；

所述的阳极支撑层和阴极支撑层相同，均为碳纸或碳布，厚度为100～200μm；