超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的制备方法，该方法在真空条件下通过控制磁控溅射参数，优化确定了气体扩散层的Pt及Nafion载量，通过热压最终制得了性能优异的膜电极，该膜电极催化层厚度薄，催化剂颗粒分布均匀，Pt催化剂的利用率优于采用其他方法制备得到的膜电极，尤其适用于质子交换膜燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的制备方法
本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极及其制备方法。
技术介绍
膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件，它是电化学反应发生的重要场所。膜电极主要由气体扩散层(GDLs)、催化剂层(CLs)和膜组成。由于电化学反应的发生需要各个组成部分协调配合，因此膜电极的制备方法、组装工艺、物化特性、所使用的材料和运行条件等都会对质子交换膜燃料电池的性能产生重要影响。研究者们力求在不影响电池性能的前提下，尽可能降低催化剂使用量，优化膜电极制备工艺，进一步拓宽质子交换膜燃料电池的应用范围。传统的GDE(GasDiffusionElectrode，气体扩散电极)制备工艺如下：首先将适量的PTFE及溶剂超声振荡使其混合均匀，然后将催化剂均匀的刷涂到扩散层上，接着用Nafion(全氟磺酸聚合物)溶液浸渍催化层，将制备的阴极和阳极分别置于电解质膜的两侧热压得到MEA。采用这种工艺制备的电极尺寸可以灵活变化，易于放大并批量生产，但该方法操作工序多，影响因素也多：将催化剂涂布到碳粉整平的碳纸或碳布上时，碳粉层的厚度和孔隙分布不均匀，致使催化层厚度不均匀；而且部分催化剂会渗透到碳纸或碳布上，不能有效的参与电化学反应造成浪费，不但降低了催化剂的利用率，而且导致膜电极的稳定性较差。针对目前GDE制备过程中存在的上述问题，本专利技术提供一种新型的利用磁控溅射技术制备GDE，从而制备超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的方法。该方法省去了传统GDE制备工艺中采用的大量溶液性质的原材料，制备过程中没有化学废料产生，不会对环境造成污染，且催化剂颗粒分布均匀利用率高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极及其制备方法。采用该方法制得的膜电极催化层较薄，催化剂颗粒分布均匀，Pt催化剂的利用率明显优于采用其他方法制备得到的膜电极，适用于质子交换膜燃料电池。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的制备方法，包括以下步骤：(a)真空环境下，利用磁控溅射技术在疏水碳纸表面溅射催化剂Pt；(b)在溅射处理后的疏水碳纸表面喷涂Nafion溶液，得到GDE；(c)将碳纸、制得的GDE、CCM(燃料电池芯片)热压组装，得到超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极。进一步的，磁控溅射处理后的疏水碳纸表面Pt载量为0.03-0.06mg/cm2。进一步的，制备得到的GDE表面Nafion的含量为0.08-0.4mg/cm2。进一步的，步骤(a)中首先将疏水碳纸置于溅射室内然后抽真空，当溅射室的真空度为3×10-4Pa时向溅射室内通入氩气，当溅射室内气体压力为2Pa时，调节溅射功率至20W开始溅射，溅射时长为200-1200s。进一步的，步骤(b)中所使用的Nafion溶液的浓度为0.4wt％-0.6wt％。更进一步的，所述Nafion溶液的配制方法具体为：取一定量较高浓度的Nafion溶液，利用体积分数为50％的异丙醇水溶液将其稀释至目标浓度。进一步的，步骤(c)中热压温度为110-160℃，压力为5-10bar，热压时间为30s-5min。进一步的，所述疏水碳纸选自东丽疏水碳纸，所述CCM的阳极Pt载量为0.4mg/cm2。进一步的，制得的膜电极的厚度为450-460μm。优选的，溅射时长为200s，磁控溅射处理后的疏水碳纸表面Pt载量为0.05mg/cm2，制备得到的GDE表面Nafion的含量为0.2mg/cm2。与现有技术相比，本专利技术具有以下预料不到的有益效果：(1)制得的膜电极厚度更薄，气体扩散层上Pt的载量进一步降低，有效提高了Pt的利用率和电池效率；(2)磁控溅射使得Pt催化剂颗粒分布更加均匀，避免了溶液刷涂和浸渍操作，整个过程无化学废料产生，不会对环境造成污染；(3)无需制备复杂的前驱体，节省了传统制备过程中的混合、溶解和吸附等反应的时间，省去了催化剂还原过程；(4)制备成本较低，省去了大量溶液性质的原材料，制备过程中没有热处理，干燥等过程的能耗。附图说明图1为本专利技术实施例1中未溅射的GDL、溅射后Pt载量0.05mg/cm2GDL、Pt载量0.3mg/cm2GDL的表面XRD分析图。图2为本专利技术实施例1中Pt载量为0.05mg/cm2时GDE表面(左)及断面(右)的SEM图；图3为本专利技术实施例1中Pt载量为0.3mg/cm2时GDE表面(左)及断面(右)的SEM图；图4为本专利技术实施例1中Pt载量分别为0.05mg/cm2、0.3mg/cm2时燃料电池的电流电压曲线图；图5为本专利技术实施例2中Pt载量为0.05mg/cm2前提下不负载Nafion和Nafion载量0.2mg/cm2燃料电池的电流电压曲线图。具体实施方式为使本领域普通技术人员充分理解本专利技术的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。实施例1GDE的制备：将疏水碳纸置于溅射室内抽真空，当溅射室的真空度为3×10-4Pa时，向溅射室内通入氩气，当溅射室内气体压力为2Pa时调节磁控溅射仪器为直流电源、溅射功率为20W，开始溅射。作为对照的三组GDE的溅射时长分别为0s、200s、1200s，对应的Pt载量为别为0mg/cm2、0.05mg/cm2、0.3mg/cm2。GDE的预处理：将浓度为5wt％的Nafion溶液用体积分数为50％的异丙醇水溶液稀释至0.5wt％，然后分别将其喷涂到三组溅射后的GDE上，控制Nafion载量为0.2mg/cm2。膜电极制备：以SGL碳纸为阳极电极、预处理后的GDE为阴极电极，将其与阳极Pt载量为0.4mg/cm2的CCM进行热压，热压温度为110-160℃，压力为5-10bar，热压时间为30s-5min。最终制得超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极，其厚度为450-460μm。对制得的三组GDE进行了XRD分析，结果如图1所示。从图1可以看到：随着溅射时间的增加，Pt各个晶面衍射峰增强；经过溅射之后，覆盖在GDL表面的物质的确为金属Pt。进一步的对第二组GDE进行了表面及断面形貌分析，所得SEM图如图2所示。从图2可以看到溅射后，Pt层覆盖在碳颗粒表面。同样的对第三组GDE也进行了表面及断面形貌分析，所得SEM图如图3所示。从图3与图2对比发现，随着溅射时间的增加，覆盖在碳颗粒表面的Pt层增厚，颗粒尺寸也随之增加。图4为阴极Pt载量分别为0.05mg/cm2、0.3mg/cm2的膜电极性能曲线图。从图中可以看出，Pt载量仅为0.05mg/cm2的膜电极已经基本能达到(略低于)Pt载量为0.3mg/cm2的燃料电池性能。这说明该膜电极在超薄、超低铂质子情况下电学性能的确较好，催化剂铂的用量大大减少。实施例2GDE的制备：将疏水碳纸置于溅射室内抽真空，当溅射室的真空度为3×10-4Pa时，向溅射室内通入氩气，当溅射室内气体压力为2Pa时调节磁控溅射仪器为直流电源溅射功率为20W，开始溅射。两组样品的溅射时长均为200s，对应Pt载量为0.05mg/cm2。GDE的预处理：将浓度为5wt％的Nafion溶液用体积分数为50％的异丙醇水溶液稀释至0.5wt本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)真空环境下，利用磁控溅射技术在疏水碳纸表面溅射催化剂Pt；(b)在溅射处理后的疏水碳纸表面喷涂Nafion溶液，得到GDE；(c)将碳纸、制得的GDE、CCM热压组装，得到超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极。

【技术特征摘要】
1.超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)真空环境下，利用磁控溅射技术在疏水碳纸表面溅射催化剂Pt；(b)在溅射处理后的疏水碳纸表面喷涂Nafion溶液，得到GDE；(c)将碳纸、制得的GDE、CCM热压组装，得到超薄、超低铂质子交换膜燃料电池氢氧膜电极。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：磁控溅射处理后的疏水碳纸表面Pt载量为0.03-0.06mg/cm2。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：制备得到的GDE表面Nafion的含量为0.08-0.4mg/cm2。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(a)中首先将疏水碳纸置于溅射室内然后抽真空，当溅射室的真空度为3×10-4Pa时向溅射室内通入氩气，当溅射室内气体压力为2Pa时，调节溅射功率至20W开始溅射，溅射时长为200-1200s。5.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘牧，韩凯凯，郭伟，王雅东，傅凯林，刘家明，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42