[發明專利]帶致密微孔層的燃料電池電極及其制備方法

無效

• 申請號: 200610117615.8
• 申請日: 2006-10-26
• 公開（公告）號: CN101170174A
• 公開（公告）日: 2008-04-30
• 發明（設計）人: 田丙倫;董輝;馮曉凌
• 申請（專利權）人: 上海攀業氫能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/02;H01M4/88
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司
• 代理人: 趙志遠

技術領域

本發明涉及一種燃料電池，尤其涉及一種帶致密微孔層的燃料電池電極及其制備方法。

背景技術

燃料電池的低溫冷啟動性能是燃料電池的一個非常重要的指標。通常情況下，燃料電池在低于零攝氏度的情況下啟動時，電池反應產生的水將會結成冰，水結冰后體積增大，這些冰如果在燃料電池的催化層內或催化層附近形成，將會破壞催化層結構，造成催化層脫落等，因而直接影響到燃料電池電極穩定性。

有效減少低溫冷啟動時電極上的結冰情況，對提高燃料電池電極的低溫冷啟動的穩定性具有重要的意義。

常規的燃料電池電極結構，包括位于中間的質子交換膜層、位于質子交換膜層兩側的電極催化劑層和位于兩電極催化劑層外側的氣體擴散層。其中氣體擴散層一般采用碳紙、碳布等材料，在該材料的其中的一個面上直接涂布一層碳粉和PTFE混合層，用于提高擴散層表面的平整度。該層也是一層微孔層，不過其結構不夠致密，而且PTFE含量一般低于30％，厚度一般低于0.04mm，是一種“非致密微孔層”。因而在低溫下(低于零攝氏度)層內容易滯留水分結冰，該層因為緊貼催化層，層內結冰對燃料電池氣體擴散及電極催化層有影響，這樣就直接影響了燃料電池電極低溫啟動的穩定性。

發明內容

本發明的目的，就是為了解決燃料電池電極低溫啟動的穩定性問題，而提供一種帶致密微孔層的燃料電池電極及其制備方法。

本發明的目的是這樣實現的：一種帶致密微孔層的燃料電池電極，包括位于中間的質子交換膜層、位于質子交換膜層兩側的電極催化劑層和位于兩電極催化劑層外側的氣體擴散層，還包括設置在電極催化劑層和氣體擴散層之間的致密微孔層，所述致密微孔層由20％～70％質量的高導電碳粉和30％～80％質量的樹脂混合制成，其厚度為0.05毫米～0.2毫米，其微孔孔徑在0.02-0.2微米之間。

上述電極的制備方法，該電極由設置在中間的質子交換膜層、涂敷在質子交換膜層兩側的電極催化劑層、設置在兩電極催化劑層外側的致密微孔層和設置在兩致密微孔層外側的氣體擴散層層疊壓制而成，其中的致密微孔層由致密微孔薄膜構成，該致密微孔薄膜由以下步驟制備：

a、取20％～70％質量的高導電碳粉和30％～80％質量的樹脂混合均勻；

b、將步驟a所得混合料放入滾壓設備滾壓成厚度為0.1mm的薄膜；

c、將步驟b所得薄膜在低于樹脂熔點的溫度下熱壓成厚度為0.05毫米～0.20毫米的致密微孔薄膜。

步驟c中所述的熱壓溫度為100～300℃，壓力為20～200kg/cm²。

所述的高導電碳粉的粒徑為15納米～30微米，所述的樹脂選自聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯中的一種或幾種。

本發明帶致密微孔層的燃料電池電極有利于提高燃料電池低溫啟動的穩定性。

附圖說明

圖1本發明帶致密微孔層的燃料電池電極的截面結構示意圖。

具體實施方式

參見圖1，本發明的帶致密微孔層的燃料電池電極，包括質子交換膜層1、電極催化劑層2、致密微孔層3和氣體擴散層4。質子交換膜層1位于整個電極的中間、兩電極催化劑層2分別位于質子交換膜層1的兩側，兩致密微孔層分別位于兩電極催化劑層的外側，兩氣體擴散層分別位于兩致密微孔層的外側。致密微孔層由20％～70％質量的高導電碳粉和30％～80％質量的樹脂混合制成，其厚度為0.05毫米～0.2毫米，其微孔孔徑在0.02-0.2微米之間。

本發明中的質子交換膜層1起著分隔氣體和導通質子的作用。電極催化劑層2可以是由Pt/C和質子交換樹脂構成，附在膜的兩側，是氣體參加電化學反應的場所。致密微孔3由導電碳粉和樹脂構成，緊貼電極催化劑層。氣體擴散層4一般是碳紙、碳布或具有均一孔徑的柔性石墨片等高導電性透氣性碳材料，位于致密微孔層的外側。

本發明中的高導電碳粉的粒徑為15納米～30微米，樹脂選自聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯等熱塑性疏水材料。

本發明的電極由設置在中間的質子交換膜層1、涂敷在質子交換膜層兩側的電極催化劑層2、設置在兩電極催化劑層外側的致密微孔層3和設置在兩致密微孔層外側的氣體擴散層4層疊壓制而成。其中的質子交換膜、電極催化劑和氣體擴散層均為通用產品，致密微孔層為本發明的特征產品，該致密微孔層由致密微孔薄膜構成，致密微孔薄膜的制備方法通過以下實施例作進一步的說明。

實施例1