專利名稱：一種聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電解質(zhì)膜電極的制備方法，適合于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、 直接甲醇燃料電池(DMFC)、堿性燃料電池(AFC)以及電解水制氫裝置和再生燃料電池 (RFC)等電化學(xué)裝置的膜電極的制備。
背景技術(shù)：
燃料電池作為一種將化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)的方式直接轉(zhuǎn)化為電能的高效、環(huán)境 友好的發(fā)電裝置，在中小型電站、電動車和便攜式電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。同時 燃料電池的逆過程電解水制氫裝置能非常便利地從水中制備不含一氧化碳、硫化物和氮化 物的高純氫氣，正廣泛地應(yīng)用于化工、能源、電子、冶金、食品、機械等民用行業(yè)和航天、核工 業(yè)等國防工業(yè)領(lǐng)域。燃料電池發(fā)電裝置和電解水制氫裝置均需要高性能的、穩(wěn)定的和長壽 命的核心部件——膜電極，為避免液體電解質(zhì)流失和強的腐蝕性等缺點，以聚合物電解質(zhì) 膜為核心的聚合物電解質(zhì)膜電極啟動速度快，穩(wěn)定性好，壽命長等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前 景。使用聚合物電解質(zhì)的發(fā)電裝置或電解裝置的性能好壞關(guān)鍵在于核心部件膜電極的微觀 結(jié)構(gòu)和成份組成，而膜電極的微觀結(jié)構(gòu)和成份組成取決于制作工藝，膜電極的制備方法很 大程度地決定了膜電極的性能。目前，關(guān)于聚合物電解質(zhì)膜電極制備方法和工藝主要集中 在提高貴金屬催化劑利用率，降低催化劑載量，提高膜電極的輸出功率密度和延長工作壽 命。早期的膜電極制備通常采用熱壓法，即將兩片使用聚四氟乙烯(PTFE)作為粘結(jié) 劑的多孔氣體擴散電極放置于質(zhì)子交換膜兩側(cè)，于130 150°C溫度范圍內(nèi)熱壓形成疏水 性膜電極五合一組件，或者將兩片采用全氟磺酸樹脂替代PTFE粘結(jié)劑的多孔氣體擴散電 極與質(zhì)子交換膜熱壓制得親水性膜電極。20世紀(jì)90年代以后，許多學(xué)者開始嘗試制備基于 質(zhì)子交換膜的由催化層/質(zhì)子交換膜/催化層組成的三合一膜電極組件，即CCM(catalySt coated membrane)法，主要可概括為兩大方向一是先制備由催化劑、樹脂溶液和分散劑組 成的漿料，分散均勻后制備在轉(zhuǎn)移介質(zhì)表面上，然后再轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜表面上，通常叫做 間接法，也叫轉(zhuǎn)移法。Wilson等人比較早地提出了間接CCM法，通過兩片帶有催化層的PTFE 膜與質(zhì)子交換膜一起熱壓，剝離PTFE膜制得CCM ；另一方法是為避免間接CCM多工序的繁 瑣操作，提高生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低貴金屬載量的背景下開發(fā)出來的，即將由催化劑、樹脂 溶液和分散劑組成的漿料分散均勻后，直接制備(濺射、噴涂、印刷、滾壓等)到質(zhì)子交換膜 兩表面上。如專利文獻(xiàn)CN1269428A介紹了一種膜電極三合一組件的制備方法，其采用一定 比例的催化劑和質(zhì)子導(dǎo)體聚合物的粉末直接熱壓在質(zhì)子交換膜上形成三合一組件；美國專 利US5415888介紹了一種燃料電池用膜電極的制備方法，其將組成為催化劑、質(zhì)子導(dǎo)體聚 合物溶液、醇類有機溶劑按一定比例配成墨水狀溶液涂刷在聚合物電解質(zhì)膜上形成三合一 膜電極；美國專利US6720106采用直接將催化料漿噴涂在質(zhì)子交換膜上的制備方法，所制 備的單電池在0.5V時的電流密度為ΙΑ/cm2。這種直接CCM法制作過程中質(zhì)子交換膜的平 鋪是技術(shù)難點，如何平鋪質(zhì)子交換膜是直接CCM法工藝的關(guān)鍵。在實踐中常常采用真空吸盤和框架等方式來固定平鋪質(zhì)子交換膜，但實際效果均不理想，質(zhì)子交換膜的溶脹會造成 與催化劑顆粒的接觸不充分，催化劑分布不均勻，性能較低。催化層與質(zhì)子交換膜結(jié)合穩(wěn)定 性差以及真空吸和框架固定還可能對質(zhì)子交換膜產(chǎn)生物理破壞，導(dǎo)致了膜電極綜合性能較 低，壽命短等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新的聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù) 中由于質(zhì)子交換膜溶脹造成膜電極性能降低、穩(wěn)定性差以及使用壽命短等問題，使該方法 所制備出的聚合物電解質(zhì)膜電極不會造成質(zhì)子交換膜發(fā)生溶脹變皺的現(xiàn)象，并且還可使催 化劑顆粒與質(zhì)子交換膜充分接觸，從而增大催化劑的附著力和結(jié)合力，提高催化劑的利用 率，進(jìn)而提高膜電極的綜合性能，并延長其使用長壽命。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，其特征在于該方法按如下步驟制備1)聚合物電解質(zhì)膜預(yù)處理將聚合物電解質(zhì)膜平鋪在基板上，并加熱到玻璃化溫 度，使聚合物電解質(zhì)膜達(dá)到接近熔融的粘流狀態(tài)；2)配制催化劑混合物將催化劑、聚合物電解質(zhì)材料和分散劑混合，經(jīng)超聲振蕩 分散后，形成均勻分散的催化劑混合物，其中，催化劑聚合物電解質(zhì)材料分散劑的質(zhì)量 比=1 0. 1 10 2 500 ；3)將配制好的催化劑混合物均勻地制備在步驟1)中預(yù)處理的聚合物電解質(zhì)膜的 兩側(cè)，形成兩側(cè)載有催化層的三合一膜電極組件；4)制備擴散層將碳紙、碳布或碳?xì)纸?jīng)聚四氟乙烯乳液浸泡、晾干后，在 200-500°C燒結(jié)，然后在一側(cè)表面上制備含有聚四氟乙烯和碳粉混合物的薄層，再在 200-50(TC燒結(jié)形成擴散層；或直接采用金屬多孔材料作為擴散層，所述的金屬多孔材料為 不銹鋼網(wǎng)、鈦網(wǎng)或鎳網(wǎng)；5)將步驟4)中制備的擴散層放置在步驟3)中制備的三合一膜電極的兩側(cè)，在 80°C -650°C,0-500kg/cm2的條件下熱壓0_60分鐘，形成五合一聚合物電解質(zhì)膜電極。上述技術(shù)方案中，步驟1)中所述的聚合物電解質(zhì)膜預(yù)處理過程中，將聚合物電解 質(zhì)膜加熱到玻璃化溫度士20度的范圍內(nèi)。所述步驟3)中的制備過程包括流延、印刷或噴涂。本發(fā)明中所述的聚合物電解質(zhì)膜的厚度5 500微米之間。聚合物電解質(zhì)材料為 全氟磺酸高分子型電解質(zhì)材料或酸摻雜聚苯并咪唑高分子型電解質(zhì)材料。所述的催化劑為 Pt、Ru、Ir、Au、Ni、Co、Zn、Ag或它們的合金及氧化物。本發(fā)明與對比文件相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果使電解質(zhì)膜表現(xiàn)出粘流性 質(zhì)本發(fā)明在制備過程中，通過將聚合物電解質(zhì)膜加熱到玻璃化溫度，使聚合物電解 質(zhì)膜達(dá)到接近熔融的粘流狀態(tài)，此種狀態(tài)能很好地捕捉催化劑，從而提高了聚合物電解質(zhì) 膜和催化劑之間的結(jié)合力，同時可達(dá)到催化劑載量沿著聚合物電解質(zhì)膜方向有一定遞減梯 度，而聚合物電解質(zhì)材料有一定遞增梯度，這樣可以拓展膜電極的電化學(xué)立體化結(jié)構(gòu)，有利 于降低離子、電子、反應(yīng)物質(zhì)和產(chǎn)物的傳質(zhì)阻力，有效地增大了催化層與聚合物電解質(zhì)膜之
4間的最佳電化學(xué)反應(yīng)區(qū)，提高了催化劑的利用率。通過該方法所制得的聚合物電解質(zhì)膜電 極可使反應(yīng)燃料、氧化劑、水、催化劑和電子的多相界面加大，從而捕獲更多的電子和活性 離子，提高了單位電極活性面積的電性能，同時結(jié)合致密的催化層與聚合物電解質(zhì)層可使 電解質(zhì)的燃料透過率大大降低，提高了燃料的使用效率(發(fā)電)或產(chǎn)率(電解)，同時也有 利于提升電池工作的開路電壓，或增加電解的電流效率。本發(fā)明的方法所制備的聚合物電 解質(zhì)膜電極，有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中由于質(zhì)子交換膜的溶脹所造成的與催化劑顆粒接觸不 充分、催化劑分布不均勻而造成的性能低的缺陷，使催化劑與電解質(zhì)膜之間能產(chǎn)生牢固的 結(jié)合力，從而具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和長壽命等優(yōu)點。


圖1為燃料電池用的本發(fā)明聚合物電解質(zhì)膜電極的電性能圖。圖2為直接硼氫化鈉燃料電池用本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)膜電極的電性能圖。圖3為SPE電解水制氫用本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)膜電極電性能圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，采用“熱定型法”固定質(zhì)子交換 膜，即將質(zhì)子交換膜平鋪在基板上加熱到玻璃化溫度，一般將聚合物電解質(zhì)膜加熱到玻璃 化溫度士20度的范圍內(nèi)；使質(zhì)子交換膜處于接近熔融的粘流狀態(tài)，再進(jìn)行催化劑漿料的流 延、印刷或噴涂。催化劑漿料中的溶劑在高溫下瞬間揮發(fā)，不會造成質(zhì)子交換膜發(fā)生溶脹變 成褶皺的現(xiàn)象，并且，催化劑顆粒會與接近熔融態(tài)的質(zhì)子交換膜充分接觸，可使催化劑和質(zhì) 子交換膜結(jié)合更為緊密，增加膜電極組件的結(jié)合強度，提高催化劑的附著力和結(jié)合力，使電 極結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化。本發(fā)明的具體工藝步驟如下1)將聚合物電解質(zhì)膜平鋪在基板上進(jìn)行加熱預(yù)處理，加熱溫度達(dá)到聚合物電解質(zhì) 膜玻璃化溫度士 20度的范圍內(nèi)；聚合物電解質(zhì)膜的厚度一般在5-500μπι之間。2)配制催化劑混合物將催化劑、聚合物電解質(zhì)材料和分散劑混合，經(jīng)超聲振蕩 分散后，形成均勻分散的催化劑混合物，其中，催化劑聚合物電解質(zhì)材料分散劑的質(zhì)量 比=1 (0.1-10) (2-500)；本發(fā)明所述的催化劑為 Pt、Ru、Ir、Au、Ni、Co、Zn、Ag 或它 們的合金及氧化物。所述的聚合物電解質(zhì)材料為全氟磺酸高分子型電解質(zhì)材料或酸摻雜聚 苯并咪唑高分子型電解質(zhì)材料。3)將配制好的催化劑混合物均勻地制備在步驟1)中所述的熱態(tài)聚合物電解質(zhì)膜 的表面上，形成兩側(cè)載有催化層的三合一膜電極組件；其中不方法可以采用流延、印刷或噴 涂。4)制備擴散層采用碳紙、碳布或碳?xì)郑?jīng)聚四氟乙烯乳液浸泡，再在200-500°C 燒結(jié)增強疏水性，再在其一側(cè)表面上制備一層含有聚四氟乙烯和碳粉混合物的薄層，然后 在200-50(TC燒結(jié)形成擴散層；或直接采用金屬多孔材料作為擴散層，所述的金屬多孔材 料為不銹鋼網(wǎng)、鈦網(wǎng)或鎳網(wǎng)；5)將步驟4)中制備的擴散層放置在步驟3)中制備的三合一膜電極的兩側(cè)，在 80°c -650oC,0-500kg/cm2的條件下熱壓0_60分鐘，形成五合一聚合物電解質(zhì)膜電極。下面通過幾個具體的實施例對本發(fā)明所述的方法做進(jìn)一步的說明。
實施例1 選用50微米厚的全氟磺酸樹脂膜，將其固定在多孔不銹鋼板上并加熱到120 度(玻璃化溫度為135度)，并保持緩慢加熱，維持粘流狀態(tài)。稱取的Pt/C(40% )催化 劑、5%全氟磺酸樹脂和異丙醇，使得Pt/C催化劑全氟磺酸樹脂異丙醇的質(zhì)量比為 1 10 500，超聲振蕩8分鐘形成待噴涂的催化劑溶液，取l.OOOg該溶液以500ml. HIirT1. cm_2的速度流延在上述聚合物電解質(zhì)膜上，與此同時，將商業(yè)化碳紙浸泡在30%的PTFE乳 液中1分鐘，隨后置于340°C馬弗爐燒結(jié)90分鐘形成疏水碳紙，將含有10% PTFE的碳粉膏 狀物涂敷在疏水處理好的碳紙上，涂敷碳粉載量為1. Omg/cm2，最后將涂有碳層的氣體擴散 層和噴有催化層的質(zhì)子交換膜在80°C和200kg/cm2的壓力下熱壓60分鐘形成膜電極，將膜 電極置于兩塊刻有蛇形流道的碳板之間，采用兩塊硬鋁夾具組裝成單電池，在電池溫度為 160°C，以及氣體壓力為常壓的條件下進(jìn)行電池極化曲線測試。電池性能見圖1。實施例2 選用60微米厚的酸摻雜聚苯并咪唑膜，將其固定在多孔不銹鋼板上并加熱到420 度(玻璃化溫度為430度)，并保持緩慢加熱，維持粘流狀態(tài)。稱取的Pt/C(40%)催化 劑、5%聚苯并咪唑膜樹脂和異丙醇，使得Pt/C催化劑酸摻雜聚苯并咪唑樹脂異丙醇的 質(zhì)量比為1 10 500，超聲振蕩8分鐘形成待噴涂的催化劑溶液，取l.OOOg該溶液以 100ml. rniiT1. cm_2的速度流延在上述酸摻雜聚苯并咪唑膜上，與此同時，將商業(yè)化碳紙浸泡 在30%的PTFE乳液中1分鐘，隨后置于340°C馬弗爐燒結(jié)90分鐘形成疏水碳紙，將含有 10% PTFE的碳粉膏狀物涂敷在疏水處理好的碳紙上，涂敷碳粉載量為1. Omg/cm2，最后將 涂有碳層的氣體擴散層和噴有催化層的質(zhì)子交換膜在80°C和200kg/cm2的壓力下熱壓60 分鐘形成膜電極，將膜電極置于兩塊刻有蛇形流道的碳板之間，采用兩塊硬鋁夾具組裝成 單電池，在電池溫度為160°C，以及氣體壓力為常壓的條件下進(jìn)行測試，最高功率密度可達(dá) 300mW/cm2。實施例3 選用25微米的全氟磺酸質(zhì)子交換膜，將其固定在多孔不銹鋼板上并加熱到115度 (玻璃化溫度為135度)備用。稱取0. 500g的Pt/C(含40% Pt)催化劑、1. OOOg的5%全 氟磺酸樹脂和l.OOOg的異丙醇溶液，使得Pt/C催化劑全氟磺酸樹脂異丙醇的質(zhì)量比為 1 0. 1 2。超聲8分鐘形成待噴涂的催化劑墨水狀物質(zhì)，采用噴筆以相對壓力為0. IMPa 的空氣為載氣，以0. 02ml. miiT1. cm_2的速度直接噴涂在上述質(zhì)子交換膜上。與此同時，將商 業(yè)化碳紙浸泡在20%的PTFE乳液中5分鐘，隨后置于340°C馬弗爐燒結(jié)60分鐘形成疏水 碳紙，將含有20% PTFE的碳粉膏狀物涂敷在疏水處理好的碳紙上，涂敷碳粉載量為1. Omg/ cm2,最后將涂有碳粉的氣體擴散層和噴有全氟磺酸樹脂層和催化層的質(zhì)子交換膜在140°C 和5MPa的壓力下熱壓2分鐘形成膜電極，將膜電極置于兩塊刻有蛇形流道的碳板之間，采 用兩塊硬鋁夾具組裝成單電池，在電池溫度為60°C，氫氣和空氣加濕溫度為40°C以及氣體 壓力為常壓的條件下進(jìn)行電池極化曲線測試。電池的最高功率密度可達(dá)到400mW/cm2。實施例4 選用5. Ocm2厚度為500微米的質(zhì)子交換膜，加熱到其玻璃化溫度為135度備用。采 用一級天平稱取5%的全氟磺酸樹脂溶液0. 040g，之后加入2. OOOg的乙醇，充分混合均勻 成待噴全氟磺酸樹脂層溶液，取該溶液0. 250g以相對壓力為IMPa的空氣為載氣，以0. Iml.miiT1. cm—2的速度噴涂在上述質(zhì)子交換膜上。稱取0. 300g的Pt黑催化劑、1. 650g的5%全 氟磺酸樹脂和20. OOOg的異丙醇溶液，在超聲清洗儀中超聲8分鐘形成待噴涂的陰極催化 劑墨水狀物質(zhì)，取1. OOOg該混和物以0. lml. miiT1. cm—2的速度噴涂在兩側(cè)載有全氟磺酸樹 脂層的質(zhì)子交換膜的一側(cè)表面上；然后，稱取0. 300g的Pt-Ru/C黑催化劑、1. 650g的5%全 氟磺酸樹脂和20. OOOg的異丙醇溶液，在超聲清洗儀中超聲8分鐘形成待噴涂的陽極催化 劑墨水狀物質(zhì)，取1. OOOg該混和物以相對壓力為IMPa的氦氣為載氣，以0. 02ml. mirT1. cm_2 的速度噴涂在兩側(cè)載有全氟磺酸樹脂層的質(zhì)子交換膜的另一側(cè)表面上。與此同時，將商業(yè) 化碳紙浸泡在40%的PTFE乳液中5分鐘，隨后置于340°C馬弗爐燒結(jié)50分鐘形成疏水碳 紙，將含有25% PTFE的碳粉膏狀物涂敷在疏水處理好的碳紙上，涂敷碳粉載量為1. 5mg/ cm2,最后將涂有碳層的氣體擴散層和噴有全氟磺酸樹脂層和催化層的質(zhì)子交換膜在150°C 和500kg/cm2的壓力下熱壓2分鐘形成五合一膜電極。將膜電極置于兩塊刻有蛇形流道的 碳板之間，采用兩塊硬鋁夾具組裝成單電池，在電池溫度為60°C，以甲醇為燃料和常壓空氣 為氧化劑的條件下進(jìn)行電池極化曲線測試。最高功率密度可達(dá)到lOOmW/cm2。實施例5 選用5. Ocm2厚度為175微米的鈉化離子交換膜，加熱到玻璃化溫度150度備用。 采用一級天平稱取5%的全氟磺酸樹脂溶液0. 500g和0. 05M的氫氧化鈉溶液0. 5000g，之 后加入4. OOOg的異丙醇，充分均勻混合成待噴涂的鈉化全氟磺酸樹脂溶液，取0. 500g該 溶液以0. lml. mirT1. cm_2的速度噴涂在上述鈉離子交換膜上，稱取0. 180g的5%全氟磺酸 樹脂溶液、0. 05M的氫氧化鈉溶液以及4. OOOg的異丙醇與0. 030g的Co催化劑配制陽極催 化劑漿料；稱取0. 180g的5%全氟磺酸樹脂溶液、0. 05M的氫氧化鈉溶液以及4. OOOg的異 丙醇與0. 030g的MnO2催化劑制備陰極催化劑漿料，在超聲清洗儀中超聲8分鐘形成待噴 涂的催化劑墨水狀物質(zhì)，分別以0. 02ml. mirT1. cm_2的速度噴涂在兩側(cè)載有鈉型全氟磺酸樹 脂層的鈉離子交換膜兩側(cè)。同時剪切同面積催化層的碳紙，在135°C和5MPa的壓力下熱壓 8分鐘形成膜電極，將膜電極置于兩塊刻有蛇形流道的碳板之間，采用兩塊不銹鋼夾具組裝 成單電池，陽極燃料采用0. 5M的NaBH4堿(NaOH濃度為2. OM)溶液作為陽極電解質(zhì)溶液， 陰極采用6. OM的H2O2作為氧化劑，在電池溫度為60°C進(jìn)行直接硼氫化鈉燃料電池膜電極 性能測試，性能見圖2。實施例6 選用5. Ocm2厚度為175微米的鈉化離子交換膜，加熱到玻璃化溫度150度備用。稱 取0. 180g的5%全氟磺酸樹脂溶液、0. 05M的氫氧化鈉溶液以及4. OOOg的異丙醇與0. 030g 的Au催化劑配制陽極催化劑漿料；稱取0. 180g的5%全氟磺酸樹脂溶液、0. 05M的氫氧化 鈉溶液以及4. OOOg的異丙醇與0. 030g的Ag催化劑配制陰極催化劑漿料，在超聲清洗儀中 超聲8分鐘形成催化劑墨水狀物質(zhì)，分別印刷在上述離子交換膜表面上。同時剪切同面積 催化層的碳紙，在145°C和IOMPa的壓力下熱壓10分鐘形成膜電極，將膜電極置于兩塊刻有 平行流道的碳板之間，采用兩塊不銹鋼夾具組裝成單電池，陽極燃料采用0. 5M的NaBH4堿 (NaOH濃度為2. OM)溶液作為陽極電解質(zhì)溶液，陰極采用6. OM的H2O2作為氧化劑，在電池 溫度為60°C進(jìn)行直接硼氫化鈉燃料電池膜電極性能測試，最高功率密度可達(dá)到llOmW/cm2。實施例7.選用5. Ocm2厚度為175微米的鈉化離子交換膜，加熱到玻璃化溫度150度備用。
7將0. 180g5%全氟磺酸樹脂、0. 05MNa0H溶液以及4. OOOg異丙醇的混合物分別加入到已稱 取好的0. 030g的Pt黑陽極催化劑和0. 030g IrO2陰極催化劑中，在超聲清洗儀中超聲8分 鐘形成待噴涂的催化劑墨水狀物質(zhì)，以0. lml.mirT1. cm—2的速度分別噴涂在上述離子交換 膜表面上，之后將膜電極置于80°C的0. 5M H2SO4溶液中進(jìn)行質(zhì)子化處理120分鐘，同時剪 切同面積催化層的鈦網(wǎng)，直接覆蓋在上述膜電極兩面，形成SPE電解池膜電極。將膜電極組 裝成電解水制氫裝置，通過微型泵補給去離子水，在80°C進(jìn)行性能測試實驗，性能見圖3。實施例8.選用5. Ocm2厚度為175 μ m的質(zhì)子交換膜，加熱到130度(玻璃化溫度為135 度)備用。將0. 180g 5%全氟磺酸樹脂和4. OOOg異丙醇的混合物分別加入到已稱取好的 0. 030g的Pt黑陽極催化劑和0. 030g Ir02+Ru02陰極催化劑中，在超聲清洗儀中超聲8分鐘 形成待噴涂的催化劑墨水狀物質(zhì)，以0. lml.mirT1. cm—2的速度分別噴涂在上述質(zhì)子交換膜 兩側(cè)表面上，同時剪切同面積催化層的不銹鋼網(wǎng)，直接覆蓋在上述膜電極兩面，形成SPE電 解池膜電極。將膜電極組裝成電解水制氫裝置，通過微型泵補給去離子水，在80°C進(jìn)行性能 測試實驗。在電解電流密度為ΙΑ/cm2的條件下，電解電壓為1. 78V。
8
權(quán)利要求
一種聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，其特征在于該方法按如下步驟制備1)聚合物電解質(zhì)膜預(yù)處理將聚合物電解質(zhì)膜平鋪在基板上，并加熱到玻璃化溫度，使聚合物電解質(zhì)膜達(dá)到接近熔融的粘流狀態(tài)；2)配制催化劑混合物將催化劑、聚合物電解質(zhì)材料和分散劑混合，經(jīng)超聲振蕩分散后，形成均勻分散的催化劑混合物，其中，催化劑聚合物電解質(zhì)材料∶分散劑的質(zhì)量比＝1∶0.1～10∶2～500；3)將配制好的催化劑混合物均勻地制備在步驟1)中預(yù)處理的聚合物電解質(zhì)膜的兩側(cè)，形成兩側(cè)載有催化層的三合一膜電極組件；4)制備擴散層將碳紙、碳布或碳?xì)纸?jīng)聚四氟乙烯乳液浸泡、晾干后，在200 500℃燒結(jié)，然后在一側(cè)表面上制備含有聚四氟乙烯和碳粉混合物的薄層，再在200 500℃燒結(jié)形成擴散層；或直接采用金屬多孔材料作為擴散層，所述的金屬多孔材料為不銹鋼網(wǎng)、鈦網(wǎng)或鎳網(wǎng)；5)將步驟4)中制備的擴散層放置在步驟3)中制備的三合一膜電極的兩側(cè)，在80℃ 650℃，0 500kg/cm2的條件下熱壓0 60分鐘，形成五合一聚合物電解質(zhì)膜電極。
2.按照權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，其特征在于步驟1)中所 述的聚合物電解質(zhì)膜預(yù)處理過程中，將聚合物電解質(zhì)膜加熱到玻璃化溫度士20度的范圍 內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，其特征在于步驟3)中的 制備過程包括流延、印刷或噴涂。
4.按照權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，其特征在于所述的聚合 物電解質(zhì)膜的厚度為5 500微米之間。
5.按照權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，其特征在于所述的聚合 物電解質(zhì)材料為全氟磺酸高分子型電解質(zhì)材料或酸摻雜聚苯并咪唑高分子型電解質(zhì)材料。
6.按照權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，其特征在于所述的催化 劑為Pt、Ru、Ir、Au、Ni、Co、Zn、Ag或它們的合金及氧化物。
全文摘要
一種聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，屬于電化學(xué)工業(yè)中燃料電池制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先加熱聚合物電解質(zhì)膜到其玻璃化溫度，使聚合物電解質(zhì)膜達(dá)到接近熔融的粘流狀態(tài)；再將催化層混合物按一定比例配置成漿料并制備在該聚合物電解質(zhì)膜兩側(cè)形成由催化層/聚合物電解質(zhì)膜/催化層構(gòu)成的膜電極三合一組件；之后可將預(yù)處理的擴散層與三合一組件熱壓形成帶有擴散層的五合一膜電極組件。本發(fā)明采用“熱定型法”固定質(zhì)子交換膜，克服了傳統(tǒng)制備膜電極時存在的由于質(zhì)子交換膜溶脹造成膜電極性能低、穩(wěn)定性差和壽命短等問題，使催化劑和質(zhì)子交換膜結(jié)合更為緊密，從而提高了催化劑的附著力和結(jié)合力，進(jìn)而提高了膜電極的綜合性能，并延長了其使用長壽命。
文檔編號C25B11/00GK101942672SQ201010285500
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者劉志祥, 毛宗強, 王誠 申請人:清華大學(xué)