[发明专利]一种制备质子交换膜燃料电池双层催化层结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种用于制备质子交换膜燃料电池双层催化层结构的方法。

背景技术

燃料电池发电是公认的继火力发电、水力发电、核能发电后的第四种发电方式。而拥有高效率、高功率密度、可低温运行和无污染等优点的质子交换膜燃料电池（PEMFC）则被看作是可为汽车、中小型电站和移动设备等提供能量来源的较佳候选。质子交换膜燃料电池的核心部件是膜电极（Membrane Electrode Assembly,MEA），由气体扩散电极和质子交换膜(或称聚合物电解质膜)构成，其中气体扩散电极（包括阳极和阴极）由扩散层和催化层(反应层)构成：扩散层由导电的多孔材料构成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排水等作用；催化层则由催化剂（如铂或者碳载铂）和聚合物电解质树脂(如Nafion)构成，是燃料电池电化学反应的场所。

为了使电化学反应能够充分、持续地进行，催化层结构需要满足以下条件：有利于反应气体的扩散；有利于电子和质子的传导与授受；有利于催化剂、电解质、反应气体形成更多的“三相界面”，其中“三相界面”是质子交换膜燃料电池电化学反应进行的场所。反应气体沿着催化层厚度方向的传递阻力、“三相界面”以及电催化剂活性是造成电势损失的主要因素。在目前广泛采用贵金属铂作为催化剂的情况下，如何使铂催化剂发挥最大的功效，对于提高燃料电池的性能以及推动燃料电池的实际应用具有巨大的意义。

传统的催化层制备方法有喷涂法、刮涂法和转压法等。这些方法通常将碳载铂催化剂与电解质树脂混合成浆料，不可避免地有一部分催化剂被树脂包覆，而不能发挥作用，且催化层中沿厚度方向，催化剂的含量是均匀的。理想的催化层结构应该是：在靠近气体扩散层一侧的催化层中反应气体浓度高，应该为电化学反应提供较大的“三相界面”，相应地其中催化剂含量较高；反之，靠近电解质膜一侧的反应气体浓度低，需要较小的“三相界面”，亦即催化剂量需求较少。因此，在保证反应气体扩散、质子和电子传导前提下，催化层中铂含量应该是一种梯度分布，这样可以充分发挥铂催化作用，实现燃料电池的高性能。

通过对现有的专利进行检索，发现公开号为CN1492530A的发明专利公开了一种燃料电池膜电极的制作工艺，其采用套色印刷工艺制作多层催化层，使催化层内催化剂的含量在厚度方向上形成梯度分布，提高了贵金属的利用率，提高了膜电极的功率密度。另外，公开号为CN1612381的发明专利公开了一种双层结构的催化层，该催化层分别由覆盖在膜表面的亲水催化层和疏水催化层的复合双层组成。但现有方法制备的催化剂层依然存在部分催化剂被电解质树脂包覆，无法得到充分利用的问题，此外由于催化层各处的反应程度不同，均匀分布催化剂的催化层，催化剂不能有效发挥其作用。

因此，针对于现有技术方法制备的质子交换膜燃料电池单催化层和多层催化层结构存在部分催化剂被电解质树脂包覆，以及催化层各处催化剂均匀分布，所产生的催化剂得不到有效利用的问题，本领域的技术人员致力于开发一种新的制备质子交换膜燃料电池催化层结构的方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于制备质子交换膜燃料电池双层催化层结构的方法，催化层A中铂催化剂呈现梯度分布，使铂催化剂得到更充分的利用，催化层B改善了气体扩散传输和离子传导，从而共同提高了燃料电池的性能。

本发明的原理是：首先在质子交换膜(或称聚合物电解质膜)上分散一层碳载铂催化剂作为催化层B，接下来再在催化层B上分散一层碳粉层，然后将上述质子交换膜以催化层B所在面朝上的方式浸入含有铂前驱体的溶液中，用弱还原剂将其中的铂还原，并在碳粉层上生长形成铂纳米线，最后在铂纳米线上均匀喷涂电解质树脂溶液，制成催化层A，然后将双层催化层与扩散层热压，可制成质子交换膜燃料电池的气体扩散电极。

该方法的具体步骤如下：

（1）将碳载铂催化剂和电解质树脂溶液加入到异丙醇中得到混合液A，超声处理使所述混合液A混合均匀，然后将所述混合液A分散到质子交换膜上一侧表面上，干燥处理，在质子交换膜上形成催化层B；

（2）将碳粉和电解质树脂溶液加入到异丙醇中得到混合液B，超声处理使所述混合液B混合均匀，然后将所述混合液B均匀分散到催化层B上，干燥处理，在催化层B上形成一层碳粉层；