一種具有氣體勻流結(jié)構(gòu)的膜電極及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有氣體勻流結(jié)構(gòu)的膜電極及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，并且具有低排放甚至零排放、高功率密度、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，也因此在汽車動(dòng)力、固定或便攜式電源等電力能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。而質(zhì)子交換膜燃料電池作為燃料電池當(dāng)中的一種lElectrochimica Acta 50(1):99-105]，具有十分廣泛的應(yīng)用。
[0003]膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池中的關(guān)鍵部分，是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的主要場所，其性能直接決定了質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出能力和安全性能。膜電極的結(jié)構(gòu)主要分為質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層。膜電極的制備方法目前主要有3種:氣體擴(kuò)散層為催化劑載體、CCM法以及轉(zhuǎn)印法，[眾學(xué)遂展，2012, (10): 1906-1914]不論制備方法怎樣，膜電極的基本結(jié)構(gòu)都是不變的。
[0004]氣體擴(kuò)散層作為質(zhì)子交換膜燃料電池中的重要組成部分，可以有效地將反應(yīng)氣體從氣體通道傳遞至催化劑層進(jìn)行反應(yīng)，并將從催化劑層產(chǎn)生的水分排出，同時(shí)還具有將電子傳遞至集流板的功能，保持膜低濕條件等作用。正因如此，氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)、孔隙度、親疏水性、透氣性、輸運(yùn)性能、水管理以及表面形態(tài)等參數(shù)都會(huì)對膜電極的性能有重要影響{Journal of Power Sources 194(1): 146-160]。然而，目前膜電極的制備方法中，氣體擴(kuò)散層主要還是將載體材料(主要為碳粉)噴涂于導(dǎo)電載體表面，然后將催化劑噴涂于載體材料之上，整個(gè)制備過程以及制備得到的膜電極結(jié)構(gòu)當(dāng)中，沒有對氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及孔隙結(jié)構(gòu)的控制 ^Journal of Applied Electrochemistry 30(6): 641-646]，也沒有考慮到貴金屬催化劑的利用率。
[0005]按照目前膜電極的三明治結(jié)構(gòu)，催化層約5-20 Mffl厚，反應(yīng)氣體通過氣體擴(kuò)散層到達(dá)催化劑層的過程中，由于其內(nèi)部孔隙雜亂不均勻，造成了催化劑的催化性能損失和質(zhì)量傳輸損失，沒有真正將催化劑層的催化能力很好地發(fā)揮出來IJournal ofElectroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry 229(1 — 2):395-406]ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種具有氣體勻流結(jié)構(gòu)的膜電極及其制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)制備的膜電極內(nèi)部反應(yīng)物通道不均勻、反應(yīng)氣體與催化劑接觸面積小的問題。
[0007]本發(fā)明具體技術(shù)方案如下。
[0008]一種具有氣體勻流結(jié)構(gòu)的膜電極的制備方法，包括以下步驟:
(1)對導(dǎo)電載體材料進(jìn)行清潔和親水處理，然后烘干；
(2)在經(jīng)步驟(I)處理的載體材料表面負(fù)載氣體擴(kuò)散層原材料； (3)將負(fù)載氣體擴(kuò)散層原材料的載體材料烘干，然后在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，形成氣體擴(kuò)散層；
(4)在氣體擴(kuò)散層上涂覆氣體勻流層，然后在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)；
(5)在氣體勻流層表面涂覆催化層，然后在真空干燥箱中烘干，得到電極；
(6)將兩片電極之間夾一層離子交換膜，熱壓成膜電極，即具有氣體勻流結(jié)構(gòu)的膜電極。
[0009]上述方法中，步驟(I)中，所述的導(dǎo)電載體材料為碳紙、碳布或碳纖維。
[0010]上述方法中，步驟(I)中，所述的親水處理為酸處理。
[0011]上述方法中，步驟(2)中，氣體擴(kuò)散層由碳粉與聚四氟乙烯懸浮液的混合漿料涂覆在負(fù)載材料而成，碳粉與聚四氟乙稀懸浮液的質(zhì)量比為0-10:100-90。
[0012]上述方法中，步驟(3)中，所述的燒結(jié)的溫度為200-400 °C，較好為260-380 V’最好為330-360 0C ;所述燒結(jié)時(shí)間為10-50分鐘，一般為30分鐘。
[0013]上述方法中，步驟(4)中，所述的氣體勻流層是由三維多級孔摻氮類石墨烯與聚四氟乙烯懸浮液混合后涂覆在擴(kuò)散層上面而成；所述三維多級孔摻氮類石墨烯與聚四氟乙烯的質(zhì)量比例為50~70: 50~30，較好為60:40，一般為70:30 ;高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)的溫度為200-400 0C，較好為 260-380 °C，最好為 330-360 °C。
[0014]上述方法中，步驟(5)中，所述的在氣體勻流層表面涂覆催化層為全通透框架結(jié)構(gòu)的催化材料，所述催化材料的結(jié)構(gòu)外徑為5-50納米，較好為15-25納米；催化層由全通透框架結(jié)構(gòu)的鉑催化材料、全氟磺酸離子交換懸浮液和醇組成，催化材料的用量根據(jù)膜電極功率負(fù)載的需要添加。
[0015]上述方法中，步驟(6 )中，所述的膜電極由步驟(5 )所得的催化材料相同或不相同的兩片電極，中間夾一片離子交換膜熱壓而成；所述的離子交換膜為全氟磺酸離子交換膜、BPI離子交換膜或堿性離子交換膜；所述的熱壓是指將三層電極放在熱壓機(jī)中以20-200kg/cm2的壓力壓制0.5-3分鐘，一般為50-70 kg/cm2;所述的熱壓溫度為100-200 °C，較好為 120-160 °C，最好為 130-140 °C。
[0016]—種具有氣體勾流結(jié)構(gòu)的膜電極，所述膜電極的結(jié)構(gòu)依次為:氣體擴(kuò)散層-氣體勻流層-陽極催化層-質(zhì)子交換膜-陰極催化層-氣體勻流層-氣體擴(kuò)散層；所述的氣體擴(kuò)散層構(gòu)建在集流極上，氣體擴(kuò)散層直接與氣體勻流層連接。
[0017]其中氣體擴(kuò)散層厚度一般為120-280 μm，最好為150-250 μπι。氣體勻流層厚度一般為12-28 μπι，最好為15-20 μπι。陰極與陽極催化層厚度一般為5-20 μπι，最好為5-10 Um0
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢:
本發(fā)明所述的制備方法簡單、安全、環(huán)境友好，并易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽?。本發(fā)明中的具有氣體勻流作用的勻流層呈多孔結(jié)構(gòu)，氣體通道多而且均勻，為反應(yīng)氣體的傳送提供了很好的均勻傳輸通道，同時(shí)為反應(yīng)氣體與催化劑提供良好的反應(yīng)場所，使得反應(yīng)氣體與催化層中的催化劑能夠充分接觸，使催化劑的催化能力得到有效而充分的利用，這對于提高膜電極中催化劑的利用率、并提高其電化學(xué)轉(zhuǎn)化效率具有明顯的增強(qiáng)作用，該多孔多氣體通道的結(jié)構(gòu)與漿料配制導(dǎo)致的PTFE與所用材料的作用結(jié)果相關(guān)，并非與勻流層中所用材料種類直接相關(guān)。勻流層中的材料使用三維多級孔類石墨烯材料，由圖2三維多級孔類石墨烯在不同分辨率下的掃描電鏡與透射電鏡圖中可以看出其本身具有該材料本身具有多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對氣體勻流層的作用具有增益效果，同時(shí)該催化材料具有氧還原催化作用，如圖3曲線所示。氣體勻流層作為氣體擴(kuò)散層與催化劑層之間的過渡層，本身不宜過厚，因此盡量控制在與催化劑層相近的厚度。
【附圖說明】
[0019]圖1為具有氣體勻流結(jié)構(gòu)的膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2a_圖2f為氣體勻流結(jié)構(gòu)中所用三維多級孔類石墨烯的掃描電鏡與透射電鏡圖。
[0021]圖3為氣體勻流結(jié)構(gòu)中所用三維多級孔類石墨烯材料的氧還原反應(yīng)曲線圖。
[0022]圖4a_圖4c為催化劑層中多棱狀全通框架結(jié)構(gòu)催化劑形狀與結(jié)構(gòu)的透射電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地具體詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。
[0024]實(shí)施例1
用丙酮浸泡選取的碳紙，在水浴鍋上在80 °C環(huán)境下加熱2小時(shí)，待丙酮蒸干后再用無水乙醇在80 °C環(huán)境下加熱2小時(shí)，然后烘干。用質(zhì)量比濃度為6 %的PTFE懸浮液完全浸泡經(jīng)處理過的碳紙10分鐘，水平靜置晾干后放在加熱板上80 °C烘干，然后在高溫?zé)Y(jié)爐中350 °0保溫?zé)Y(jié)0.5小時(shí)。稱取質(zhì)量比濃度為6 %的P