一种质子交换膜燃料电池的双功能有序化膜电极制造技术

本发明专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池的有序化结构膜电极，采用对其膜电极结构进行功能化设计，首先在基底上通过气相化学沉积的方法生长具有特定长度和密度的碳纳米管阵列（ACNTA），然后在ACNTA上采用磁控溅射的方法负载贵金属催化层，并喷涂Nafion电解质作为质子导体包覆层。再将ACNTA/催化材料通过热转印的方法转移至质子交换膜上，由于该ACNTA/催化材料有序化电极结构两端具有不同的特性，同时成为膜电极的催化层和气体扩散层，在该有序结构上简单配置碳纸背底层后，成为功能完善的五合一膜电极，不需要使用带微孔层的碳纸背底。本发明专利技术可以有效降低膜电极结构的复杂性、简化配件生产工艺的同时提升膜电极的电化学性能。

A bifunctional ordered membrane electrode for PEMFC

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池的双功能有序化膜电极
本专利技术涉及一种应用于质子交换膜燃料电池的双功能有序化膜电极的设计和制备方法，属于新能源材料与应用领域。
技术介绍
膜电极组件是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件，主要由质子交换膜，气体催化层以及气体扩散层组成。随着MEA制备技术的进步，人们逐渐将目光投向更高性能，更长使用寿命的PEMFC器件的发展上，研究PEMFC能否实现在低加湿，低铂含量，以及高电流密度等苛刻条件下的稳定工作。其中一个最重要的设计思路就是对于膜电极中催化剂，反应气和电解质三相反应界面的精细化控制。基于该理念发展的第三代膜电极组件制备技术，主要通过有序化的形貌阵列，改变了传统膜电极中多孔电极体系无序化的状态，使得催化剂分布和电极结构能够进行精密控制，并且通过这种有序的设计方式，能够更加方便的进行膜电极层电极反应过程的建模和数值模拟，从而为PEMFC膜电极结构及其性能之间的关系提供高可靠性的仿真模型。近年来，有序化膜电极得到迅猛发展，并迅速成为膜电极生产企业的关键核心技术。首先实现商业化的有序化膜电极产品为美国3M公本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种质子交换膜燃料电池的双功能有序化膜电极，其特征在于，包括Nafion层，在Nafion层的两侧分别依次复合有催化剂层、碳纳米管阵列层和碳纸层；所述的碳纸层与碳纳米管阵列层之间不含有微孔层。/n

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池的双功能有序化膜电极，其特征在于，包括Nafion层，在Nafion层的两侧分别依次复合有催化剂层、碳纳米管阵列层和碳纸层；所述的碳纸层与碳纳米管阵列层之间不含有微孔层。


2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的双功能有序化膜电极，其特征在于，在一个实施方式中，催化剂层的材质是铂或者是其合金；在一个实施方式中，碳纳米管阵列层的厚度10-100μm，更优选的是30-40μm，面密度控制在1.0-3.0mg/cm2；在一个实施方式中，催化剂层的厚度20-200nm；在一个实施方式中，碳纸层的厚度100-250μm。


3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的双功能有序化膜电极，其特征在于，在一个实施方式中，碳纳米管阵列层通过化学气相沉积（CVD）方法得到，催化剂层通过磁控溅射方法得到。


4.权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的双功能有序化膜电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步，将碳源和催化剂混合后，作为前驱体，采用化学气相沉积（CVD）的方法在基底的表面生成有序化结构的碳纳米管阵列层；
第2步，在第1步得到的碳纳米管阵列层的表面通过磁控溅射的方法生成催化剂层(如:Pt-Co、Pt-Ni、Pt-Fe、Pt)；
第3步，在第2步得到的铂及其合金催化剂层的表面喷涂Nafion溶液，待干燥后备用；
第4步，通过热压转印的方法将第3步中得到的复合材料从基底上剥离，将Nafion溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓翔，孟宪涛，周嵬，邵宗平，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32