[發(fā)明專利]質(zhì)子交換膜燃料電池電極制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810204032.8
• 申請日: 2008-12-04
• 公開（公告）號: CN101752570A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡純;孫毅;王東;王濤;張偉;劉向;張新榮
• 申請（專利權(quán)）人: 上海空間電源研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 鄭丹力

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池電極的制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池作為傳統(tǒng)能源的一種替代品在全世界顯現(xiàn)出巨大的商業(yè)前景。 當(dāng)能源短缺與環(huán)境問題變得更嚴(yán)峻的時(shí)候，使燃料電池的出現(xiàn)，在商業(yè)上的 前景變的越發(fā)廣闊。燃料電池是以氫為載體的一種高效、環(huán)境友好的轉(zhuǎn)換方 式，可廣泛應(yīng)用于分布電站、車輛、UPS、移動(dòng)便攜電源和艦船之上。具有操 作溫度低、啟動(dòng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為世界各國重點(diǎn)發(fā)展的 清潔能源技術(shù)。

燃料電池由雙極板和膜電極組成，其中膜電極MEA是燃料電池的核心部 件。膜電極由一張質(zhì)子交換膜，涂敷在膜兩側(cè)的Pt/C催化劑和兩張導(dǎo)電的多 孔性擴(kuò)散層(碳紙或碳布)組成。

質(zhì)子交換膜作為PEM燃料電池中的電解質(zhì)，屬于選擇透過性膜，在含有 一定數(shù)量水的情況下，可以有效的讓質(zhì)子遷移透過質(zhì)子交換膜，具體過程是 燃料氫氣在陽極側(cè)催化劑的催化作用下分解為質(zhì)子H+和電子e-，H+遷移透過 質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與陰極側(cè)的O2在Pt的催化作用下生成水，電子經(jīng)過 外電路移動(dòng)，從而提供電能。質(zhì)子交換膜除了傳導(dǎo)質(zhì)子外，還能分隔氫氣和 氧氣，使它們不至于混合爆炸。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池本質(zhì)上就是在Pt 催化劑的催化作用下發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，并釋放出電能，該過程通常被稱之 為冷燃燒。

質(zhì)子交換膜燃料電池中，多孔性擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、雙極板等組件的 加工和材料成本，都可通過批量化生產(chǎn)得以降低。而對于鉑金催化劑，由于 受到地殼儲(chǔ)量的限制而逐漸成為質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的技術(shù)和成本瓶 頸。通過多年的實(shí)踐努力，PEM燃料電池催化劑已從純鉑黑發(fā)展成為碳載鉑催 化劑(Pt/C)，有效地提高催化劑利用率和降低Pt使用量。為了進(jìn)一步降低Pt 使用量，各國科技工作者在提高催化劑催化活性和新型催化劑方面已進(jìn)行過 很多嘗試和努力，其中包括：使用更小粒徑的Pt催化劑、Pt合金催化劑以及 非Pt催化劑等。由于隨工作時(shí)間的增加，越細(xì)小粒徑的Pt催化劑團(tuán)聚和燒 結(jié)現(xiàn)象愈加明顯，性能衰減越顯著，無法滿足PEM燃料電池壽命要求；Pt合 金催化劑具有較高的初始性能，但是由于合金元素在膜電極中的遷移導(dǎo)致電 極壽命還不甚理想；而非Pt催化劑的研究進(jìn)展并不理想。

因此怎樣在應(yīng)用方面使用更佳工藝提高Pt利用率，在不使電池性能和使 用壽命衰減的情況下減少催化劑使用量，降低電極制作成本，對將來質(zhì)子交 換膜燃料電池的商業(yè)化還是非常有益的。

目前沒有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類似技術(shù)的說明或報(bào)道，也尚未收集到國內(nèi)外類 似的資料。

發(fā)明內(nèi)容

為了提高Pt利用率，在不使電池性能和使用壽命衰減的情況下減少催化 劑使用量，降低電極制作成本，本發(fā)明的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料 電池電極制備方法。本發(fā)明采取直接將催化劑涂布或轉(zhuǎn)印到質(zhì)子交換膜上的 方法，此方法可避免直接將催化劑涂布到擴(kuò)散層上、因催化劑在碳粉整平層 上的滲透損失，可以更大限度提高Pt的使用率，提高催化效率，有效減少催 化劑使用量。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池電極制備方法，包括將催化劑直接涂敷在質(zhì)子 交換膜上，該方法包括如下步驟：

1)催化劑配制；采用40wt％的Pt/C催化劑，加入溶劑異丙醇，放在超聲 波儀器上振蕩30分鐘以上，成為墨水狀，無明顯小顆粒；

2)質(zhì)子交換膜裁剪；按催化活化面積大小，每邊多出10mm，多出部分作 為制作邊框密封用；

3)涂布夾具和底座制備；用2塊環(huán)氧樹脂板制作質(zhì)子交換膜夾具，按照 實(shí)際涂布區(qū)大小在夾具中間開孔，質(zhì)子交換膜固定在兩塊環(huán)氧樹脂板中間； 用鋁合金制作具有電加熱棒的底座，底座的方臺(tái)上具有抽真空細(xì)孔；質(zhì)子交 換膜夾具的兩側(cè)均可密合嵌入比環(huán)氧樹脂板開孔小0.5mm留有間隙的底座中， 將底座連接到抽真空儀器上；

4)催化劑涂布；將底座加熱到80℃，打開抽真空儀器，使質(zhì)子交換膜吸 附平整貼合在底座的方臺(tái)上；噴涂空間用密封罩罩住，將密封罩中空間溫度 加熱到40～100℃；使用精密噴涂裝置，控制噴涂裝置每秒噴量為0.4L/s， 噴口氣體壓力為2KPa，噴口高度控制催化劑噴到膜上時(shí)剛好溶劑全部揮發(fā)， 分多次循環(huán)，將催化劑均勻噴涂在質(zhì)子交換膜上；

5)烘干；涂布好陰極和陽極側(cè)催化劑的質(zhì)子交換膜放入80℃烘箱中烘烤 30分鐘；