[發明專利]用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極及其制備方法

有效

• 申請號: 200910199030.9
• 申請日: 2009-11-19
• 公開（公告）號: CN102074715A
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 張新榮;張偉;王濤;劉向;童莉
• 申請（專利權）人: 上?？臻g電源研究所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 金家山

1.一種用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極，其特征在于，該電極包括質子交換膜、雙效電極和擴散層，質子交換膜由全氟磺酸離子交換樹脂組成，雙效電極包括雙效氫電極和雙效氧電極，擴散層包括氫電極擴散層和氧電極擴散層，氫電極擴散層采用碳材料為基體；該雙效膜電極采用CCM工藝制備，直接將催化層熱轉移到質子交換膜內表面，實現催化層和質子交換膜的一體化，并采用多孔燒結金屬作為膜電極的氧電極擴散層和支撐組件。

2.根據權利要求1所述的用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極，其特征在于，質子交換膜為全氟磺酸Nafion系列膜、NRE212、NRE1135、NRE115或NRE117。

3.根據權利要求1所述的用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極，其特征在于，雙效氫電極催化層包含Pt貴金屬催化劑；雙效氧電極催化層為Pt黑和析氧催化劑組合而成的復合金屬催化劑。

4.根據權利要求3所述的用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極，其特征在于，Pt貴金屬催化劑為Pt黑或40％Pt/C；析氧催化劑為Ru、Ir、Ti、Zr、W、Ta，Nb、Hf或其氧化物。

5.根據權利要求1所述的用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極，其特征在于，氫電極擴散層為碳紙或碳布；氧電極擴散層為多孔燒結金屬片，金屬網、金屬氈或者泡沫金屬。

6.根據權利要求5所述的用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極，其特征在于，多孔燒結金屬片為多孔燒結鈦金屬片，金屬網為鈦金屬網、金屬氈為鈦金屬氈。

7.根據權利要求1所述的用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極，其特征在于，氧電極多孔燒結金屬表面采用化學鍍的方法制備導電性的Pt、Pd、Au、Ir、Ru、Rh或Ta貴金屬涂層，采用噴涂方法制備耐腐蝕的Pt、Ir、Ti或Ir、Ti、W的氧化物涂層。

8.權利要求1-7中任一項所述的用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極的制備方法，其特征在于，其包括如下步驟：

步驟一、雙效氫電極制備：

(1)擴散層的憎水處理：擴散層基底材料碳紙用聚偏氟乙烯乳液處理并進行燒結，首先在120～130℃燒結15～30min，然后在280～350℃燒結15～30min；

(2)擴散層的制備：調和碳粉，制備氣體擴散層漿料，將碳粉漿料自動噴涂在聚偏氟乙烯乳液處理后的碳紙上，然后在120～130℃燒結15～30min，最后在280～350℃燒結15～30min形成氣體擴散層，并進行滾壓整平，借助放大鏡剔除不平點；

(3)雙效氫電極催化層的制備：首先配制催化劑漿料，在PTFE薄膜上自動噴涂催化劑層，然后放入烘箱中，在50～80℃條件下干燥；最后在120～130℃燒結15～30min，借助放大鏡剔除不平點；

步驟二、雙效氧電極制備：

(1)擴散層的憎水處理：雙效氧電極擴散層采用耐腐蝕多孔燒結金屬材料為基體，多孔燒結金屬采用聚偏氟乙烯乳液處理并進行燒結，首先在120～130℃燒結15～30min，然后在280～350℃燒結15～30min；

(2)擴散層的導電性和耐蝕性處理：首先采用化學鍍的方法在多孔燒結金屬表面制作導電性良好的Pt、Ir、Ta等貴金屬涂層，然后采用自動噴涂的方法在多孔燒結金屬表面制備Pt、Ir、Ti或Ir、Ti、W等的氧化物涂層進行整平處理，多孔燒結金屬和導電性涂層以及耐腐蝕氧化物涂層組成雙效氧電極擴散層；

(3)雙效氧電極催化層的制備：首先配制復合催化劑漿料，在PTFE薄膜上自動噴涂催化劑層，然后放入烘箱中在50～80℃條件下干燥；最后在120～130℃燒結15～30min，借助放大鏡剔除不平點；

步驟三、雙效膜電極組件制備：

(1)將干態質子交換膜置于由步驟一、二獲得的兩張涂敷膜之間，兩片轉移介質之外側各加一張鋁箔，在壓機上配加硬性墊片，墊片的厚度為略小于質子交換膜與兩片帶催化層的轉移介質厚度的總和，通過高精度壓機熱壓處理，壓機的壓力為2～6MPa，熱壓溫度為130～180℃，在壓機合壓后持續60～150s；最后，剝離PTFE轉移介質，雙效催化層完全轉移到質子交換膜內表面，實現雙效催化層和質子交換膜的一體化，獲得CCM工藝雙效膜電極；

(2)將氫電極擴散層、CCM工藝膜電極、氧電極擴散層三者組合成一體，上下對齊，配合完好，制備MEA組件保護邊框，實現擴散層和雙效膜電極的一體化；

(3)在壓力為1～3MPa，120～130℃下進行熱壓，在壓機合壓后持續1000～1200s，打開壓機，自然冷卻后取出雙效膜電極組件。