專利名稱：聚合物電解質(zhì)膜燃料電池?zé)o擔(dān)載催化劑電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池?zé)o擔(dān)載催化劑電極的制作方法。
PEMFC使用的催化劑通常是擔(dān)載在高比表面炭上的鉑及其合金。有研究表明(L.Liu，et al，Electrochimica Acta，1998，43，3657)，如果DMFC使用炭載的催化劑，當(dāng)催化劑載量高于0.5mg/cm2時(shí)電池的性能無(wú)法繼續(xù)提高；而無(wú)擔(dān)載催化劑的使用上限則可達(dá)8mg/cm2。近年來(lái)，在高性能DMFC的報(bào)道中無(wú)擔(dān)載催化劑被越來(lái)越多地采用。
高分散的無(wú)擔(dān)載催化劑在制備上相對(duì)困難，而且在使用中容易發(fā)生團(tuán)聚和燒結(jié)。制作高效的無(wú)擔(dān)載催化劑電極是獲得高性能DMFC的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池?zé)o擔(dān)載催化劑電極的制作方法，先配制含聚合物電解質(zhì)及催化劑前體(如H2PtCl6、RuCl3)的溶液；將此種溶液涂于基底表面；待溶劑揮發(fā)后，將基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬。
上述聚合物電解質(zhì)為強(qiáng)酸型聚合物電解質(zhì)，或強(qiáng)堿型聚合物電解質(zhì)；上述溶液的溶劑為水，或低級(jí)醇，或低級(jí)醇與水的混合物(也可以是其它可溶解催化劑前體和聚合物電解質(zhì)的溶劑)；上述基底為耐熱的化學(xué)惰性的聚合物膜(如聚四氟乙烯膜)，或裝配電池使用的聚合物電解質(zhì)膜，或裝配電池使用的擴(kuò)散層材料(如碳紙)；上述將基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬的方法為在不超過(guò)聚合物電解質(zhì)分解溫度的溫度下、將基底在氫氣氛下熱處理，使基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬；或?qū)⒒捉牒瑥?qiáng)還原劑的濃溶液中，使基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將無(wú)擔(dān)載催化劑的制備與電極的制作結(jié)合在一起，催化劑前體在聚合物電解質(zhì)的保護(hù)下被還原成金屬，可防止納米尺寸的催化劑顆粒發(fā)生團(tuán)聚和燒結(jié)，獲得高度分散的催化劑；同時(shí)這種條件下產(chǎn)生的催化劑顆粒與聚合物電解質(zhì)混合均勻，可獲得最充分的接觸。這些特性都非常有利于提高電池性能。本發(fā)明提供的方法操作簡(jiǎn)單，制作成本低，因而適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
上述溶劑乙醇或水也可以用其它可溶解催化劑前體和聚合物電解質(zhì)的溶劑代替。
采用上述方法制得的覆蓋在碳紙表面的無(wú)擔(dān)載PtRu電極的表面及剖面形貌見(jiàn)圖2、圖3，催化劑層表面較平整、厚度僅10μm(每平方厘米含4mgPt+2mgRu)。
圖4是用上述方法制得的覆蓋在碳紙表面的無(wú)擔(dān)載Pt(圖4c)和無(wú)擔(dān)載PtRu(圖4d)電極的X射線衍射譜。圖4a、b作為參照對(duì)象，分別為全氟磺酸聚合物電解質(zhì)膜和碳紙(表面覆蓋含乙炔黑和聚四氟乙烯的擴(kuò)散層)的X射線衍射譜。圖中*峰對(duì)應(yīng)于氟碳鏈的結(jié)晶相，來(lái)自全氟磺酸聚合物電解質(zhì)膜或碳紙中的聚四氟乙烯；#峰來(lái)自碳紙的石墨相。根據(jù)謝樂(lè)公式從圖4c、d中Pt(220)衍射峰的半高寬可以算出對(duì)應(yīng)的無(wú)擔(dān)載Pt催化劑和無(wú)擔(dān)載PtRu催化劑(電極中全氟磺酸聚合物電解質(zhì)的含量均為15wt％)的粒度分別為6.1nm與3.5nm。
權(quán)利要求
1.一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池?zé)o擔(dān)載催化劑電極的制作方法，其特征是配制含聚合物電解質(zhì)及催化劑前體的溶液；將此種溶液涂于基底表面；待溶劑揮發(fā)后，將基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是上述聚合物電解質(zhì)為強(qiáng)酸型聚合物電解質(zhì)，或強(qiáng)堿型聚合物電解質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制作方法，其特征是上述溶液的溶劑為水，或低級(jí)醇，或低級(jí)醇與水的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制作方法，其特征是上述基底為耐熱的化學(xué)惰性的聚合物膜，或裝配電池使用的聚合物電解質(zhì)膜，或裝配電池使用的擴(kuò)散層材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制作方法，其特征是上述將基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬的方法為在不超過(guò)聚合物電解質(zhì)分解溫度的溫度下、將基底在氫氣氛下熱處理，使基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制作方法，其特征是上述將基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬的方法為將基底浸入含強(qiáng)還原劑的濃溶液中，使基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池?zé)o擔(dān)載催化劑電極的制作方法。該方法將催化劑前體與聚合物電解質(zhì)一起配成溶液；將此溶液涂于聚合物電解質(zhì)膜或碳紙等基底的表面；再將基底表面涂層中的催化劑前體還原成金屬。此方法將無(wú)擔(dān)載催化劑的制備與電極的制作結(jié)合在一起，催化劑前體在聚合物電解質(zhì)的保護(hù)下被還原成金屬，可防止納米尺寸的催化劑顆粒發(fā)生團(tuán)聚和燒結(jié)，獲得高度分散的催化劑；同時(shí)這種條件下產(chǎn)生的催化劑顆粒與聚合物電解質(zhì)混合均勻，可獲得最充分的接觸。本方法操作簡(jiǎn)單，制作成本低，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01M4/88GK1440085SQ0311877
公開(kāi)日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2003年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月14日
發(fā)明者莊林, 陸君濤 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)