一种质子交换膜燃料电池无裂纹膜电极的制备方法技术

一种质子交换膜燃料电池无裂纹膜电极的制备方法，它涉及质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池无裂纹膜电极的制备方法


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法
。

技术介绍

[0002]氢能具有高热值和零排放等特点，被认为是未来最有前途的二次能源之一
。
作为氢能的首选转换装置，燃料电池可将其化学能直接转换为电能，具有能量转换效率高
、
噪音低等优点
。
在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池
(Proton Exchange Membrane Fuel Cell
，
PEMFC)
因其运行条件温和
、
启动速度快
、
稳定性高
、
结构简单而备受关注
。
近年来，质子交换膜燃料电池的商业化取得了重大进展，尤其是在汽车行业
。
在质子交换膜燃料电池中，膜电极组件
(Membrane Electrode Assembly
，
MEA)
是决定其性能和成本的核心部件
。
其中，含有贵金属铂
(Pt)
的催化剂层
(Catalyst Layer
，
CL)
至关重要
。
[0003]现有的含有贵金属铂
(Pt)
的催化剂层的常用制备方法是直涂法，直涂法是将催化剂浆料通过刮刀
、
线棒等工具涂覆到质子交换膜表面，干燥后获得膜电极
。
传统催化剂浆料一般将<br/>Pt/C
催化剂和离聚物
ionomer
分散在去离子水和异丙醇等混合溶剂制得
。
小分子溶剂在接触质子交换膜时，向膜中的快速渗透
、
扩散，导致交联聚合物网链间距增大，材料体积膨胀，发生溶胀现象，使膜电极难以均匀涂覆，从而影响燃料电池性能和耐久性
。
其次，膜电极的干燥过程通常在固定的高温加热平台上进行，溶剂的快速挥发导致膜电极内孔隙收缩迅速，应力作用明显，易导致裂纹产生，不利于膜电极制备的重现性以及催化反应的进行
。
此外，经过以上步骤获得的膜电极内，离聚物
ionomer
易发生团聚，或者以较厚的离聚物薄膜的状态覆盖在
Pt
纳米颗粒表面，三相反应界面较少且局域传质阻力大，不利于贵金属
Pt
的高效利用
。

技术实现思路

[0004]本专利技术是要解决现有的直涂法制备质子交换膜燃料电池膜电极时存在的质子交换膜溶胀严重
、
膜电极龟裂
、
三相反应界面数量少而影响燃料电池性能及耐久性的技术问题，而提供一种质子交换膜燃料电池无裂纹膜电极的制备方法，该方法可使质子交换膜燃料电池膜电极的裂纹消除，从而提高电池的性能和使用寿命
。
[0005]本专利技术的质子交换膜燃料电池无裂纹膜电极的制备方法，按以下步骤进行：
[0006]一
、
氧
、
氟双掺杂改性碳载体的制备：
[0007](1)
采用氟化物气体刻蚀技术对碳载体进行刻蚀；本步骤在碳载体上引入一定量的憎水性的含氟基团；
[0008](2)
将刻蚀完的碳载体放入标准检验筛中，随后将标准检验筛放入洁净的高压锅中，加入蒸馏水后启动高压锅，在表压为
70
～
80kPa
的条件下蒸8～
9h
；本步骤利用高压水蒸气去除碳粉中的杂质并在碳粉表面引入一定量水分；
[0009](3)
将处理好的碳载体放入管式炉，在氩气氛围中升温至
200
～
300℃
下煅烧2～
3h
；得到氧
、
氟双掺杂碳载体；本步骤中通过煅烧对碳载体进行扩孔并引入一定量的亲水性
的含氧基团；
[0010]二
、
高载量
Pt/C
催化剂的制备：
[0011](1)
称取氧
、
氟双掺杂碳载体与氯铂酸
(H2PtCl6)
并加入到乙二醇
(EG)
与异丙醇
(IPA)
的混合溶液中，充分搅拌
、
分散均匀，得到碳载体混合液；
[0012](2)
向碳载体混合液中滴加氢氧化钠的乙二醇溶液
(NaOH
‑
EG)
，将混合液的
pH
值调至碱性，再向其中通入氩气
20
～
30min
，得到待反应的原料液；
[0013](3)
采用微波加热的方式，将待反应的原料液迅速升温至
130
～
150℃
并保持
60
～
90s
，然后在磁力搅拌下降至室温，再向混合液中滴加硝酸的乙二醇溶液
(HNO3‑
EG)
将溶液的
pH
值调节为酸性，继续搅拌6～
10h
，得到酸性混合液；
[0014](4)
对酸性混合液进行抽滤，抽滤过程采用
80
～
100℃
的去离子水进行冲洗，以除去催化剂表面吸附的乙二醇溶剂，抽滤完成后，将滤饼置于真空干燥箱中干燥；再将干燥的滤饼放在管式炉中，在氩气保护下升温至
200
～
300℃
处理2～
3h
，得到
Pt/C
催化剂；
[0015]三
、
催化剂浆料的配置：
[0016](1)
将
Pt/C
催化剂置于浆料分散容器中，再加入少量去离子水使催化剂润湿；在确保后续加入醇的过程催化剂不会发生静电起火的前提下，用最少量的去离子水使催化剂润湿；
[0017](2)
再向浆料分散管中加入异丙醇与
Nafion
溶液的混合液，混合液中异丙醇与
Nafion
溶液的体积比为异丙醇：
Nafion
溶液＝
(2.5
～
4)
：
(6
～
7.5)
；采用高速剪切机进行分散，充分分散后，得到浆料Ⅰ，浆料Ⅰ中的水的质量百分含量为
28
％～
35
％；本步骤的作为分散溶剂的混合液中按质量百分计仅含
28
％～
35
％水，水分的主要来源于
Nafion
溶液，目的是使催化剂浆料能够充分溶解分散，使
Pt/C
催化剂聚集体尺寸尽可能小；
[0018](3)
向浆料Ⅰ中加入去离子水，以
600
～
900rpm
的转速磁力搅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种质子交换膜燃料电池无裂纹膜电极的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
(1)
采用氟化物气体刻蚀技术对碳载体进行刻蚀；
(2)
将刻蚀完的碳载体放入标准检验筛中，随后将标准检验筛放入洁净的高压锅中，加入蒸馏水后启动高压锅，在表压为
70
～
80kPa
的条件下蒸8～
9h
；
(3)
将处理好的碳载体放入管式炉，在氩气氛围中升温至
200
～
300℃
下煅烧2～
3h
；得到氧
、
氟双掺杂碳载体；二
、
高载量
Pt/C
催化剂的制备：
(1)
称取氧
、
氟双掺杂碳载体与氯铂酸并加入到乙二醇与异丙醇的混合溶液中，充分搅拌
、
分散均匀，得到碳载体混合液；
(2)
向碳载体混合液中滴加氢氧化钠的乙二醇溶液，将混合液的
pH
值调至碱性，再向其中通入氩气
20
～
30min
，得到待反应的原料液；
(3)
采用微波加热的方式，将待反应的原料液迅速升温至
130
～
150℃
并保持
60
～
90s
，然后在磁力搅拌下降至室温，再向混合液中滴加硝酸的乙二醇溶液将溶液的
pH
值调节为酸性，继续搅拌6～
10h
，得到酸性混合液；
(4)
对酸性混合液进行抽滤，抽滤过程采用
80
～
100℃
的去离子水进行冲洗，以除去催化剂表面吸附的乙二醇溶剂，抽滤完成后，将滤饼置于真空干燥箱中干燥；再将干燥的滤饼放在管式炉中，在氩气保护下升温至
200
～
300℃
处理2～
3h
，得到
Pt/C
催化剂；三
、
催化剂浆料的配置：
(1)
将
Pt/C
催化剂置于浆料分散容器中，再加入少量去离子水使催化剂润湿；
(2)
再向浆料分散管中加入异丙醇与
Nafion
溶液的混合液，混合液中异丙醇与
Nafion
溶液的体积比为异丙醇：
Nafion
溶液＝
(2.5
～
4)
：
(6
～
7.5)
；采用高速剪切机进行分散，充分分散后，得到浆料Ⅰ，浆料Ⅰ中的水的质量百分含量为
28
％～
35
％；
(3)
向浆料Ⅰ中加入去离子水，以
600
～
900rpm
的转速磁力搅拌1～
2h
后，得到浆料Ⅱ，浆料Ⅱ的固体的质量百分含量为7％～8％；四
、
膜电极的涂覆与干燥：
(1)
将质子交换膜放置到真空吸附加热平台上，平台温度控制在
60
～
65℃

【专利技术属性】
技术研发人员：王振波，马淼，沈力晓，叶稳，邵培源，赵磊，冯昊楠，顾大明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：