一种用于质子交换膜燃料电池的高性能膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于质子交换膜燃料电池的高性能膜电极，包括质子交换膜，分别设置在质子交换膜上、下表面的第一催化层、第一气体扩散层组成的阴极材料以及第二催化层和第二气体扩散层组成的阳极材料，所述第一气体扩散层和第二气体扩散层均包括导电支撑层和微孔层；所述第一催化剂层、第二催化剂层为二硫化钼/石墨烯杂化纳米片负载的铂/镍材料层；所述导电支撑层为碳纸；所述微孔层为多孔碳纤维与碳纳米管复合材料层；所述质子交换膜为磺化的硅纤维杂化聚偏氟乙烯

【技术实现步骤摘要】
一种用于质子交换膜燃料电池的高性能膜电极及其制备方法


[0001]本专利技术电化学
，具体涉及一种用于质子交换膜燃料电池的高性能膜电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着目前能源紧缺及环境污染问题的日益严重，开发新型可持续、环境友好的能量转换器件成为当前研究热点。燃料电池是一种可直接将化学能转换为电能的能量转换装置，由于其反应实质相当于电解水的逆反应，因此反应终产物具有环境友好性，同时燃料来源广泛，具有可持续性。燃料电池能量转化不受卡诺循环限制，理论上能量转换效率可达90％，实际使用效率为40％
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60％，为普通内燃机的2
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3倍，对比目前使用较多的几种能量转换器件具有很大优势。燃料电池根据温度划分为四种类型：固体氧化合物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池，其中质子交换膜燃料电池除具备一般燃料电池的优点外，还有结构简单、启动速度快、寿命长等特点，其在减少或替代化石燃料电池方面有巨大的潜力，在质子交换膜燃料电池中，氢气和空气分别作为阳极和阴极的反应物，通过电化学反应将化学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于质子交换膜燃料电池的高性能膜电极，其特征在于，包括质子交换膜，分别设置在质子交换膜上、下表面的第一催化层、第一气体扩散层组成的阴极材料以及第二催化层和第二气体扩散层组成的阳极材料，所述第一气体扩散层和第二气体扩散层包括导电支撑层和微孔层；所述第一催化剂层、第二催化剂层为二硫化钼/石墨烯杂化纳米片负载的铂/镍材料层；所述导电支撑层为碳纸；所述微孔层为多孔碳纤维与碳纳米管复合材料层；所述质子交换膜为磺化的硅纤维杂化聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜。2.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的高性能膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将碳纸置于聚四氟乙烯乳液中，浸泡处理，之后取出烘干，制得疏水碳纸；(2)将聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯溶于二甲基乙酰胺中，然后加入碳纳米管的乙醇分散液混合制得纺丝液；采用静电纺丝工艺进行纺丝，纺丝得到的纤维置于马弗炉内，氮气气氛下煅烧处理，制得多孔碳纤维/碳纳米管杂化材料；(3)将多孔碳纤维/碳纳米管杂化材料和水、异丙醇混合分散后加入聚四氟乙烯乳液进行超声混合处理，制得的混合液分别喷涂在加热的疏水碳纸表面，之后置于马弗炉内进行热处理，制得第一气体扩散层、第二气体扩散层；(4)将二硫化钼粉末和石墨烯粉末混合加入到异丙醇中超声处理，之后离心，取上清液进行干燥，制得二硫化钼/石墨烯杂化纳米片；将二硫化钼/石墨烯杂化纳米片和(1,5
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环辛二烯)二甲基铂、双(六氟乙酰丙酮)合镍(II)水合物混合均匀加入到高压容器内，将高压容器密封，升温反应，并向高压容器内注入二氧化碳气体，反应结束后，将容器减压，反应产物在氮气气氛下处理，制得二硫化钼/石墨烯杂化纳米片负载的铂/镍材料；将二硫化钼/石墨烯杂化纳米片负载的铂/镍材料和Nafion膜溶液混合，加入去离子水、异丙醇，混合搅拌后制得的混合液分别均匀涂覆在第一气体扩散层、第二气体扩散层表面，干燥，形成第一催化层、第二催化层，从而制得阴极材料和阳极材料；(5)将十六烷基三甲基溴化铵溶于去离子水中制得表面活性剂溶液，加入硅酸钠溶液搅拌混合，之后缓慢滴加盐酸溶液调节溶液pH为11，继续搅拌处理，制得的混合液转移至反应釜内，进行反应，反应结束后冷却至室温，将反液过滤，得到的固体干燥后煅烧处理，制得硅粉；将硅粉和浓硫酸混合搅拌后置于反应釜内密封后升温反应，反应结束后将反应液过滤，得到的产物干燥后制得磺化的硅粉；将聚偏氟乙烯
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三氟乙烯溶于二甲基乙酰胺与四氢呋喃的混合溶剂中制得聚合物溶剂，然后加入磺化的硅粉，搅拌混合后制得纺丝溶液，将纺丝溶液进行静电纺丝，制得磺化硅粉改性聚合物纤维；(6)将Nafion溶液涂覆于干净的玻璃基板表面，干燥制得基层，然后将制得的磺化硅粉改性聚合物纤维加入到Nafion溶液中分散均匀后涂覆于基层表面干燥制得中间层，最后在中间层表面继续涂覆Nafion溶液，干燥形成表层，制得的薄膜进行退火处理，制得质子交换膜材料；将阴极材料、质子交换膜、阳极材料层叠热压处理，制得膜电极。3.根据权利要求2所述的一种用于质子交换膜燃料电池的高性能膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，碳纳米管的乙醇分散液的质量浓度为5％，所述聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、碳纳米管的乙醇分散液、二甲基乙酰胺的用量比为1g：1g：(8
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10)ml：20ml；静
电纺丝的条件为：纺丝电压为15
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16KV，接收距离为15cm，推进速率为0.95ml/h，环境温度为室温，湿度为30％RH；煅烧处理的升温速度为3℃/min，温度为1400℃，时间为1
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2h。4.根据权利要求2所述的一种用于质子交换膜燃料电池的高性能膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述聚四氟乙烯乳液的质量浓度为10％，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王星，沈丽君，杨强，
申请(专利权)人：极永新能源科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：