一体化膜电极及其制备方法与流程

本发明属于燃料电池，具体涉及一种一体化膜电极及其制备方法。

背景技术：

1、聚合物电解质膜(pem)燃料电池pemfc，也称质子交换膜燃料电池，其将氢气和氧气反应释放的化学能转换为电能。聚合物电解质膜燃料电池能量转化效率高、环境友好，在交通运输、固定电站、移动设备等领域具有广阔的应用前景。

2、目前聚合物电解质膜燃料电池大规模商业化应用仍面临成本高问题，其中电催化剂、电解质膜等膜电极相关关键材料价格贵是造成聚合物电解质膜燃料电池成本居高不下的主要原因。所以在维持聚合物电解质膜燃料电池高性能的基础上，降低膜电极成本尤为重要。

3、现有膜电极通常包括阴/阳极气体扩散层、阴/阳催化层、电解质膜，将含有阴/阳极催化剂、质子导电聚合物材料、溶剂的浆液分别涂于基底表面，随后转印至电解质膜表面，并与气体扩散层组装形成膜电极。膜电极工作时，通往阳极侧的氢气经阳极流道、气体扩散层到达阳极催化层的三相界面处发生氢的电化学氧化反应生成质子与电子；质子经过电解质膜到达阴极催化层三相界面处，与经过外电路到达的电子以及经过阴极流道、气体扩散层和催化层到达的氧气发生氧的电化学还原反应生成水。

4、现有膜电极中的催化层和电解质膜之间的结合力较弱，导致催化层容易从电解质膜脱落；膜电极催化层内催化剂利用率低，催化剂使用量较高；并且，膜电极制备过程通常需要转印操作，使得制备过程复杂。

技术实现思路

1、为了解决膜电极的催化层容易脱落、催化剂利用率低以及膜电极制备过程复杂等问题，本发明提供了一种一体化膜电极及其制备方法。

2、本发明提供的一体化膜电极，包含：阴极催化层、阳极催化层和聚合物电解质膜；其中，所述阴极催化层附着于所述聚合物电解质膜的下表面，所述阳极催化层附着于所述聚合物电解质膜的上表面。

3、可选地，所述阴极催化层嵌入所述聚合物电解质膜。

4、可选地，所述阴极催化层包含纳米陈列载体；所述纳米陈列载体具有若干凸起结构；

5、所述纳米陈列载体采用苯胺单体、高氯酸溶液和过硫酸铵的混合溶液制备形成。

6、可选地，所述阴极催化层还包含催化膜；所述催化膜均匀附着于所述纳米陈列载体的表面；所述催化膜由催化剂形成。

7、可选地，所述阳极催化层采用pt/c、nafion和乙醇的混合溶液制备形成。

8、本发明的另一技术方案是提供了一种一体化膜电极制备方法，适用于上述任意一项所述的一体化膜电极，所述的一体化膜电极制备方法包含如下步骤：在阴极催化层的表面制备生成聚合物电解质膜，并在所述聚合物电解质膜的表面制备生成阳极催化层，形成一体化膜电极。

9、可选地，所述的一体化膜电极制备方法还包括所述阴极催化层的制备：

10、将基底薄膜浸入配置的纳米陈列载体溶液中，使得基底薄膜的表面形成纳米陈列载体；通过物理气相沉积在所述纳米陈列载体的表面生成均匀的催化膜，形成所述阴极催化层。

11、可选地，所述基底薄膜为聚四氟乙烯薄膜；

12、所述纳米陈列载体溶液采用苯胺单体、高氯酸溶液和过硫酸铵配制形成；所述纳米陈列载体溶液中，苯胺单体浓度为0.02～2mol/l，高氯酸浓度为0.5～2.5mol/l，硫酸铵浓度为0.01～1.5mol/l；

13、将苯胺单体加入高氯酸溶液中混合均匀，再加入过硫酸铵混合均匀形成所述纳米陈列载体溶液。

14、可选地，采用nafion溶液在所述阴极催化层的表面喷涂形成所述聚合物电解质膜；nafion溶液中nafion的质量浓度为5～40％。

15、可选地，采用pt/c、nafion和乙醇的混合溶液在所述聚合物电解质膜的表面喷涂形成所述阳极催化层；其中，该混合溶液中pt/c的质量浓度为0.1～10％，nafion的质量浓度为0.1～25％，乙醇与水质量比为0.01～2。

16、与现有技术相比，本发明提供的一体化膜电极及其制备方法具有以下优点或有益效果：

17、本发明通过直接在阴极催化层的表面喷涂溶液形成聚合物电解质膜，后在聚合物电解质膜的表面喷涂溶液形成阳极催化层，获得一体化膜电极；所述的一体化膜电极，其聚合物电解质膜与阴极催化层和阴极催化层之间具有很强的结合力，从而避免阴极催化层或阴极催化层从聚合物电解质膜上脱落，同时还提高聚合物电解质膜燃料电池放电性能；所述阴极催化层上的凸起结构，增加了催化层的表面积，从而增加了其三相反应区域，提高了催化剂的利用率，控制了催化剂的使用量、降低了聚合物电解质膜燃料电池成本。本发明提供的一体化膜电极及其制备具有良好的推广应用前景。

技术特征：

1.一种一体化膜电极，其特征在于，包含：阴极催化层、阳极催化层和聚合物电解质膜；其中，所述阴极催化层附着于所述聚合物电解质膜的下表面，所述阳极催化层附着于所述聚合物电解质膜的上表面。

2.如权利要求1所述的化膜电极，其特征在于，所述阴极催化层嵌入所述聚合物电解质膜。

3.如权利要求1所述的化膜电极，其特征在于，所述阴极催化层包含纳米陈列载体；所述纳米陈列载体具有若干凸起结构；

4.如权利要求3所述的化膜电极，其特征在于，所述阴极催化层还包含催化膜；所述催化膜均匀附着于所述纳米陈列载体的表面；所述催化膜由催化剂形成。

5.如权利要求1所述的化膜电极，其特征在于，所述阳极催化层采用pt/c、nafion和乙醇的混合溶液制备形成。

6.一种一体化膜电极制备方法，适用于权利要求1～5中任意一项所述的一体化膜电极，其特征在于，所述的一体化膜电极制备方法包含如下步骤：在阴极催化层的表面制备生成聚合物电解质膜，并在所述聚合物电解质膜的表面制备生成阳极催化层，形成一体化膜电极。

7.如权利要求6所述的一体化膜电极制备方法，其特征在于，所述的一体化膜电极制备方法还包括所述阴极催化层的制备：

8.如权利要求7所述的一体化膜电极制备方法，其特征在于，所述基底薄膜为聚四氟乙烯薄膜；

9.如权利要求6所述的一体化膜电极制备方法，其特征在于，采用nafion溶液在所述阴极催化层的表面喷涂形成所述聚合物电解质膜；nafion溶液中nafion的质量浓度为5～40％。

10.如权利要求6所述的一体化膜电极制备方法，其特征在于，采用pt/c、nafion和乙醇的混合溶液在所述聚合物电解质膜的表面喷涂形成所述阳极催化层；其中，该混合溶液中pt/c的质量浓度为0.1～10％，nafion的质量浓度为0.1～25％，乙醇与水质量比为0.01～2。

技术总结
本发明公开了一种一体化膜电极包含阴极催化层、阳极催化层和聚合物电解质膜；其中，阴极催化层和阳极催化层分别附着于聚合物电解质膜的上、下表面。本发明通过直接在阴极催化层的表面喷涂溶液形成聚合物电解质膜，后在聚合物电解质膜的表面喷涂溶液形成阳极催化层，获得一体化膜电极，制备中不需要转印，简化了操作；所述聚合物电解质膜与阴极催化层和阴极催化层之间具有很强的结合力，从而避免阴极或阳极催化层脱落，提高聚合物电解质膜燃料电池放电性能；阴极催化层上有凸起结构，增加了表面积，即增加三相反应区域，提高了催化剂的利用率，降低了聚合物电解质膜燃料电池成本。本发明提供的一体化膜电极及其制备具有良好的推广应用前景。

技术研发人员：沙琳俊,王涛,张伟,孙毅,蒋永伟,朱荣杰,李瑾,杨晨,周易君
受保护的技术使用者：航天氢能（上海）科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12