[发明专利]一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，包括以下步骤：S1、在表面具有三维结构的模板上涂覆成型溶液，通过热压或冷压的方式，得到表面具有反三维结构的质子交换膜；S2、将催化剂均匀分布在质子交换膜具有反三维结构的一面，形成催化剂层；S3、通过干法工艺将电子导体涂布在催化剂层上；S4、在S3的电子导体的表面附上气体扩散层。通过使用三维结构的模具，转印制备具有反三维结构的质子交换膜，相对于现有技术中的膜电极，降低了质子交换膜的电阻，扩大反应电极，增大了膜电极的比表面积，提高催化剂利用率，进而提高燃料电池的反应效率。三维结构结构的膜电极有利于水的排出。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法。

背景技术

燃料电池能够通过电化学反应将化学能直接转化为电能，而被认为是一种重要的绿色能源技术。膜电极是燃料电池中最为核心的部件，作为电化学反应发生的场所，膜电极在燃料电池中起着关键作用，其特性直接决定了燃料电池的整体性能。目前，膜电极由质子交换膜、催化剂、电子导体、气体扩散层等材料组成。

现有技术中的膜电极存在以下问题：1、膜电极阴极一侧伴随燃料电池的运行会持续产生水，若水不能及时排出，将产生水淹现象，水覆盖在膜表面，阻断反应的发生，从而降低电池反应效率；2、膜电极的催化剂层存在铂载量高，导致成本高的问题；且催化剂被粘结剂包裹，Pt利用率不高。

因此，有必要对现有技术中的膜电极进行改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在表面具有三维结构的模板上涂覆成型溶液，通过热压或冷压的方式，得到表面具有反三维结构的质子交换膜；

S2、将催化剂均匀分布在质子交换膜具有反三维结构的一面，形成催化剂层；

S3、通过干法工艺将电子导体涂布在催化剂层上；

S4、在S3的电子导体的表面附上气体扩散层。

2. 根据权利要求1所述的一种燃料电池三维结构膜电极的制备方法，其特征在于：所述三维结构包括锯齿形、孔型或柱状矩阵型。

本发明一个较佳实施例中，在所述S2中，通过真空溅射气象沉积、静电喷涂或超声喷涂方式，将铂催化剂和具有反三维结构的质子膜表面结合。

本发明一个较佳实施例中，在所述S2中，将不同浓度的铂碳催化剂溶液A、B、C按照浓度高低顺序依次涂覆在具有反三维结构的质子交换膜表面，且在每次涂覆后进行固化处理，催化剂层沿厚度方向铂含量依次降低。

本发明一个较佳实施例中，在所述S2中，将质子交换膜将具有反三维结构的一面进行射频等离子体处理，使得催化剂层表面在经过纳米刻蚀后形成微纳米结构。

本发明一个较佳实施例中，在10～20kHz的射频电源下，并在氩气或氨气氛围下，在催化剂层表面形成不规则排布的微纳米级凹坑和/或凸起的双重结构。

本发明一个较佳实施例中，在所述S1中，对具有反三维结构的质子交换膜的表面采用激光冲击处理，通过控制光斑间距或激光脉冲能量大小，使得反三维结构表面形成十字交叉的阵列凹坑表面微织构。

本发明一个较佳实施例中，所述气体扩散层为碳纸、碳毡、多孔钛中的一种。

本发明一个较佳实施例中，所述成型溶液为全氟磺酸溶液、磺化聚醚醚酮溶液、磺化三氟苯乙烯溶液中的一种或多种的组合。

本发明一个较佳实施例中，所述电子导体为碳材料或金属材料，所述碳材料为纳米碳、多孔碳、碳纤维、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种，所述金属材料为钛及金属合金、金、银、铂或钯材料中的一种或多种。