[发明专利]一种直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，尤其涉及一种基于纳米静电纺技术构建纳米纤维网络结构作为直接甲醇燃料电池膜电极的方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池是一种绿色新能源，具有能量转化效率高和能量密度高、环境友好、运行噪声低、操作方便等优点，已经在能源领域引起了广泛的研究兴趣，尤其在电动汽车、手机、笔记本、便携式通讯和医疗设备等的动力电源和移动电源领域具有极其广阔的应用前景。

作为燃料电池的核心部件，膜电极集合体(MEA)是电池中物料传输、电化学反应、电子和质子传递以及能量转移的场所，其优劣直接决定了整个电池的性能的高低。为了提高电池的性能，研究者在MEA结构、三相反应界面的优化以及制备技术等方面开展了大量研究。目前膜电极制备方法主要分为以下两类：(1)传统的第一代膜电极采用气体扩散电极法(GDE)，即直接将催化剂和Nafion溶液及分散剂溶剂超声混合成浆液，然后采用刮涂的方式或者喷涂的方式直接将催化层涂到扩散层上，再热压到质子交换膜上。该方法易导致催化剂的浪费，催化层中催化剂的利用率低，催化层结构厚，会影响MEA的性能；(2)后来发展起来的第二代膜电极采用催化剂覆盖电解质膜法(CCM)，即先将催化剂和Nafion溶液及分散溶剂制备的混合浆液喷涂到PTFE薄膜上，然后通过热压方式将催化层转移到Nafion膜上，这样制备的膜电极催化层与膜结合紧密，不易因膜的溶涨而剥离，膜电极稳定性好，催化剂利用率高，使电池性能有大幅度提升。但该方法制备的膜电极仍存在着催化层较厚、结构可控性低、催化层无序等问题。因此，传统的GDE和改进的CCM方法在膜电极微纳米结构可控构筑方面进一步提升性能的空间已不大，制约了整个电池性能和功能的继续提高，迫切需要发展新一代基于纳米技术的膜电极制备方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的缺点，提供一种直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，通过静电纺技术构建纳米纤维三维网络结构的膜电极，实现膜电极三相反应界面的最大化，以及电催化活性、传质效率和催化剂利用效率的提高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法，包括下列步骤：

1）选自以下任一：

a)以静电纺技术构建活性碳粉和Nafion树脂混合的纳米纤维网络结构薄膜，然后在制得的纳米纤维网络结构薄膜表面上沉积贵金属纳米催化剂，分别制得阴极催化层薄膜和阳极催化层薄膜；

b)以贵金属纳米催化剂和Nafion树脂的混合料为原料通过静电纺技术直接构建阴极催化层薄膜和阳极催化层薄膜；

2）将阴极气体扩散层、阴极催化层薄膜、Nafion膜、阳极催化层薄膜和阳极气体扩散层热压制成直接甲醇燃料电池膜电极集合体。

步骤1）中的a）具体包括下列步骤：

（a1）制备活性碳粉和Nafion树脂混合溶液，超声搅拌混合得到活性碳粉和Nafion树脂混合浆料；

（a2）制备载体高分子聚合物的水溶液；

（a3）将步骤（a2）制得的载体高分子聚合物的水溶液和步骤（a1）制得的活性碳粉和Nafion树脂混合浆料混合搅拌分散制得活性碳粉静电纺浆液；

（a4）将制得的活性碳粉静电纺浆液通过静电纺装置制备成纳米纤维网络结构薄膜，然后在制得的纳米纤维网络结构薄膜上沉积贵金属纳米催化剂，分别制得阴极催化层薄膜和阳极催化层薄膜；

步骤1）中的b）具体包括下列步骤：

（b1）制备贵金属纳米催化剂与Nafion树脂混合溶液，超声搅拌混合得到贵金属纳米催化剂和Nafion树脂混合浆料；

（b2）制备载体高分子聚合物的水溶液；

（b3）将步骤（b2）制得的载体高分子聚合物的水溶液和步骤（b1）制得的贵金属纳米催化剂和Nafion树脂混合浆料混合搅拌分散制得贵金属纳米催化剂静电纺浆液；

（b4）直接将制得的贵金属纳米催化剂静电纺浆液通过静电纺装置制备成阴极催化层薄膜和阳极催化层薄膜。

其中，

步骤（a1）中，所述活性碳粉选自XC-72R碳球、KB多孔碳、AC活性碳粉、石墨烯和碳纳米管；步骤（a4）和步骤（b1）中，所述的贵金属纳米催化剂包括阴极贵金属纳米催化剂和阳极贵金属纳米催化剂；阴极贵金属纳米催化剂选自Pt黑和Pt/C，阳极贵金属纳米催化剂选自PtRu黑和PtRu/C。