专利名称：聚合物电解质膜燃料电池无担载催化剂电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种聚合物电解质膜燃料电池无担载催化剂电极的制作方法。
PEMFC使用的催化剂通常是担载在高比表面炭上的铂及其合金。有研究表明(L.Liu，et al，Electrochimica Acta，1998，43，3657)，如果DMFC使用炭载的催化剂，当催化剂载量高于0.5mg/cm2时电池的性能无法继续提高；而无担载催化剂的使用上限则可达8mg/cm2。近年来，在高性能DMFC的报道中无担载催化剂被越来越多地采用。
高分散的无担载催化剂在制备上相对困难，而且在使用中容易发生团聚和烧结。制作高效的无担载催化剂电极是获得高性能DMFC的一项关键技术。
本发明提供的技术方案是一种聚合物电解质膜燃料电池无担载催化剂电极的制作方法，先配制含聚合物电解质及催化剂前体(如H2PtCl6、RuCl3)的溶液；将此种溶液涂于基底表面；待溶剂挥发后，将基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属。
上述聚合物电解质为强酸型聚合物电解质，或强碱型聚合物电解质；上述溶液的溶剂为水，或低级醇，或低级醇与水的混合物(也可以是其它可溶解催化剂前体和聚合物电解质的溶剂)；上述基底为耐热的化学惰性的聚合物膜(如聚四氟乙烯膜)，或装配电池使用的聚合物电解质膜，或装配电池使用的扩散层材料(如碳纸)；上述将基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属的方法为在不超过聚合物电解质分解温度的温度下、将基底在氢气氛下热处理，使基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属；或将基底浸入含强还原剂的浓溶液中，使基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属。
本发明的优点是将无担载催化剂的制备与电极的制作结合在一起，催化剂前体在聚合物电解质的保护下被还原成金属，可防止纳米尺寸的催化剂颗粒发生团聚和烧结，获得高度分散的催化剂；同时这种条件下产生的催化剂颗粒与聚合物电解质混合均匀，可获得最充分的接触。这些特性都非常有利于提高电池性能。本发明提供的方法操作简单，制作成本低，因而适合大规模工业化生产。
上述溶剂乙醇或水也可以用其它可溶解催化剂前体和聚合物电解质的溶剂代替。
采用上述方法制得的覆盖在碳纸表面的无担载PtRu电极的表面及剖面形貌见图2、图3，催化剂层表面较平整、厚度仅10μm(每平方厘米含4mgPt+2mgRu)。
图4是用上述方法制得的覆盖在碳纸表面的无担载Pt(图4c)和无担载PtRu(图4d)电极的X射线衍射谱。图4a、b作为参照对象，分别为全氟磺酸聚合物电解质膜和碳纸(表面覆盖含乙炔黑和聚四氟乙烯的扩散层)的X射线衍射谱。图中*峰对应于氟碳链的结晶相，来自全氟磺酸聚合物电解质膜或碳纸中的聚四氟乙烯；#峰来自碳纸的石墨相。根据谢乐公式从图4c、d中Pt(220)衍射峰的半高宽可以算出对应的无担载Pt催化剂和无担载PtRu催化剂(电极中全氟磺酸聚合物电解质的含量均为15wt％)的粒度分别为6.1nm与3.5nm。
权利要求
1.一种聚合物电解质膜燃料电池无担载催化剂电极的制作方法，其特征是配制含聚合物电解质及催化剂前体的溶液；将此种溶液涂于基底表面；待溶剂挥发后，将基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是上述聚合物电解质为强酸型聚合物电解质，或强碱型聚合物电解质。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征是上述溶液的溶剂为水，或低级醇，或低级醇与水的混合物。
4.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征是上述基底为耐热的化学惰性的聚合物膜，或装配电池使用的聚合物电解质膜，或装配电池使用的扩散层材料。
5.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征是上述将基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属的方法为在不超过聚合物电解质分解温度的温度下、将基底在氢气氛下热处理，使基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属。
6.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征是上述将基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属的方法为将基底浸入含强还原剂的浓溶液中，使基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属。
全文摘要
本发明公开了一种聚合物电解质膜燃料电池无担载催化剂电极的制作方法。该方法将催化剂前体与聚合物电解质一起配成溶液；将此溶液涂于聚合物电解质膜或碳纸等基底的表面；再将基底表面涂层中的催化剂前体还原成金属。此方法将无担载催化剂的制备与电极的制作结合在一起，催化剂前体在聚合物电解质的保护下被还原成金属，可防止纳米尺寸的催化剂颗粒发生团聚和烧结，获得高度分散的催化剂；同时这种条件下产生的催化剂颗粒与聚合物电解质混合均匀，可获得最充分的接触。本方法操作简单，制作成本低，适合大规模工业化生产。
文档编号H01M4/88GK1440085SQ0311877
公开日2003年9月3日 申请日期2003年3月14日 优先权日2003年3月14日
发明者庄林, 陆君涛 申请人:武汉大学