[发明专利]一种气体扩散电极及其制备和应用

说明书

一种气体扩散电极，包括气体扩散层和催化层，催化层由导电高分子纳米棒及其上附着的催化剂构成；催化层中的导电高分子纳米棒原位垂直生长于所述微孔层的碳粉颗粒表面，微观上形成海胆状结构；催化剂附着于导电高分子纳米棒表面。气体扩散电极的制备包括：(a)气体扩散层的制备；(b)导电高分子纳米棒的制备；(c)催化层的制备。与现有技术相比，本发明所述气体扩散电极在提高了催化剂的分散效果和利用率的同时形成了一定的网络结构，相比于完全垂直基底层的阵列有序化结构，增加了气体分子与催化剂的碰撞频率，藉此组装的MEA在相同催化剂载量时电池性能得到提高。制备方法简单且易于实施，适合批量生产，批量制得的气体扩散电极具有较好的一致性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体来说涉及一种质子交换膜燃料电池或碱性阴离子交换膜燃料电池用气体扩散电极；

本发明还涉及上述气体扩散电极的制备方法。

技术背景

质子交换膜燃料电池由于其应用前景广阔，环境友好等特点，研究者已对其进行了深入的研究，特别是其核心部件MEA(由阳极扩散层、阳极催化层、聚合物电解质膜、阴极催化层、阴极扩散层构成)，但是随着研究的深入，发现传统的MEA催化层中，电催化剂、催化剂载体、质子导体聚合物(如Nafion)、亲水剂/疏水剂等无序排列，导致催化层中传质阻力较大，催化剂利用率不高。与此同时，人们认识到关键组分有序的MEA能够克服上述缺点，该催化层中电催化剂/载体等电子传导相、质子导体聚合物等质子传导相等有序分布(如图7b所示有序多孔电极示意图；图7a为传统多孔电极结构示意图)，有序分布的电子/质子传导相之间的空隙形成了物质传输的“通道”，传输“通道”的有序能大大降低传质阻力，同时能提高催化剂的利用率。

文献(Advanced Energy Materials，2011，1，1205)中采用等离子体增强化学气相沉积法技术在铝箔上生长碳纳米管阵列，然后溅射Pt纳米粒子，得到的Pt/碳纳米管阵列具有一定的线性和空间有序结构；专利(CN201410117695.1)以多孔模板热压离子交换膜，去除模板形成离子交换聚合物纳米管，然后担载催化剂形成有序化聚合物膜电极。

上述制备有序MEA的方法中，或用到昂贵的气相沉积设备，或需要用到模板，后处理繁琐，难以保证均一性，上述方法都难以满足大规模制备的要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，发明了一种有序化气体扩散电极，并进一步发明了一种简单的可批量制备上述有序化气体扩散电极的方法。

为实现上述发明内容，本发明采用以下技术方案来实现：

一种气体扩散电极，包括气体扩散层和催化层，所述气体扩散层由支撑层和微孔层组成，所述催化层由导电高分子纳米棒及其上附着的催化剂构成；所述微孔层包括碳粉和粘结剂；所述催化层中的导电高分子纳米棒原位垂直生长于所述微孔层的碳粉颗粒表面，微观上形成海胆状结构；所述催化剂附着于导电高分子纳米棒表面。

所述导电高分子纳米棒长度为50-400nm；直径为20-80nm。

所述支撑层为碳纸或碳布；所述微孔层的制备方法为碳粉混合粘结剂后通过刮涂、刷涂、喷涂或丝网印刷至支撑层表面制得；所述微孔层中碳粉为VulcanXC-72碳粉、乙炔黑碳粉、BP2000碳粉中的一种或两种以上；粘结剂为PTFE或Nafion中的一种或两种。

所述导电高分子为聚苯胺或聚苯胺衍生物、聚吡咯或聚吡咯衍生物、聚噻吩或聚噻吩衍生物中的一种或二种以上。

所述催化层中的导电高分子纳米棒原位垂直生长于所述微孔层的碳粉颗粒表面，即微孔层中球形碳颗粒表面分散出导电高分子纳米棒，纳米棒的生长方向与其所生长处的碳颗粒表面相垂直。

所述气体扩散电极的制备方法，包括以下制备步骤，

(a)气体扩散层的制备