[發(fā)明專(zhuān)利]一種聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010285500.6
• 申請(qǐng)日: 2010-09-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101942672A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王誠(chéng);劉志祥;毛宗強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C25B11/00
• 分類(lèi)號(hào): C25B11/00
• 代理公司: 北京鴻元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電解質(zhì)膜電極的制備方法，適合于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、堿性燃料電池(AFC)以及電解水制氫裝置和再生燃料電池(RFC)等電化學(xué)裝置的膜電極的制備。

背景技術(shù)

燃料電池作為一種將化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)的方式直接轉(zhuǎn)化為電能的高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，在中小型電站、電動(dòng)車(chē)和便攜式電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)燃料電池的逆過(guò)程電解水制氫裝置能非常便利地從水中制備不含一氧化碳、硫化物和氮化物的高純氫氣，正廣泛地應(yīng)用于化工、能源、電子、冶金、食品、機(jī)械等民用行業(yè)和航天、核工業(yè)等國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域。燃料電池發(fā)電裝置和電解水制氫裝置均需要高性能的、穩(wěn)定的和長(zhǎng)壽命的核心部件——膜電極，為避免液體電解質(zhì)流失和強(qiáng)的腐蝕性等缺點(diǎn)，以聚合物電解質(zhì)膜為核心的聚合物電解質(zhì)膜電極啟動(dòng)速度快，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。使用聚合物電解質(zhì)的發(fā)電裝置或電解裝置的性能好壞關(guān)鍵在于核心部件膜電極的微觀結(jié)構(gòu)和成份組成，而膜電極的微觀結(jié)構(gòu)和成份組成取決于制作工藝，膜電極的制備方法很大程度地決定了膜電極的性能。目前，關(guān)于聚合物電解質(zhì)膜電極制備方法和工藝主要集中在提高貴金屬催化劑利用率，降低催化劑載量，提高膜電極的輸出功率密度和延長(zhǎng)工作壽命。

早期的膜電極制備通常采用熱壓法，即將兩片使用聚四氟乙烯(PTFE)作為粘結(jié)劑的多孔氣體擴(kuò)散電極放置于質(zhì)子交換膜兩側(cè)，于130～150℃溫度范圍內(nèi)熱壓形成疏水性膜電極五合一組件，或者將兩片采用全氟磺酸樹(shù)脂替代PTFE粘結(jié)劑的多孔氣體擴(kuò)散電極與質(zhì)子交換膜熱壓制得親水性膜電極。20世紀(jì)90年代以后，許多學(xué)者開(kāi)始嘗試制備基于質(zhì)子交換膜的由催化層/質(zhì)子交換膜/催化層組成的三合一膜電極組件，即CCM(catalyst?coated?membrane)法，主要可概括為兩大方向：一是先制備由催化劑、樹(shù)脂溶液和分散劑組成的漿料，分散均勻后制備在轉(zhuǎn)移介質(zhì)表面上，然后再轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜表面上，通常叫做間接法，也叫轉(zhuǎn)移法。Wilson等人比較早地提出了間接CCM法，通過(guò)兩片帶有催化層的PTFE膜與質(zhì)子交換膜一起熱壓，剝離PTFE膜制得CCM；另一方法是為避免間接CCM多工序的繁瑣操作，提高生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低貴金屬載量的背景下開(kāi)發(fā)出來(lái)的，即將由催化劑、樹(shù)脂溶液和分散劑組成的漿料分散均勻后，直接制備(濺射、噴涂、印刷、滾壓等)到質(zhì)子交換膜兩表面上。如專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1269428A介紹了一種膜電極三合一組件的制備方法，其采用一定比例的催化劑和質(zhì)子導(dǎo)體聚合物的粉末直接熱壓在質(zhì)子交換膜上形成三合一組件；美國(guó)專(zhuān)利US5415888介紹了一種燃料電池用膜電極的制備方法，其將組成為催化劑、質(zhì)子導(dǎo)體聚合物溶液、醇類(lèi)有機(jī)溶劑按一定比例配成墨水狀溶液涂刷在聚合物電解質(zhì)膜上形成三合一膜電極；美國(guó)專(zhuān)利US6720106采用直接將催化料漿噴涂在質(zhì)子交換膜上的制備方法，所制備的單電池在0.5V時(shí)的電流密度為1A/cm²。這種直接CCM法制作過(guò)程中質(zhì)子交換膜的平鋪是技術(shù)難點(diǎn)，如何平鋪質(zhì)子交換膜是直接CCM法工藝的關(guān)鍵。在實(shí)踐中常常采用真空吸盤(pán)和框架等方式來(lái)固定平鋪質(zhì)子交換膜，但實(shí)際效果均不理想，質(zhì)子交換膜的溶脹會(huì)造成與催化劑顆粒的接觸不充分，催化劑分布不均勻，性能較低。催化層與質(zhì)子交換膜結(jié)合穩(wěn)定性差以及真空吸和框架固定還可能對(duì)質(zhì)子交換膜產(chǎn)生物理破壞，導(dǎo)致了膜電極綜合性能較低，壽命短等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種新的聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中由于質(zhì)子交換膜溶脹造成膜電極性能降低、穩(wěn)定性差以及使用壽命短等問(wèn)題，使該方法所制備出的聚合物電解質(zhì)膜電極不會(huì)造成質(zhì)子交換膜發(fā)生溶脹變皺的現(xiàn)象，并且還可使催化劑顆粒與質(zhì)子交換膜充分接觸，從而增大催化劑的附著力和結(jié)合力，提高催化劑的利用率，進(jìn)而提高膜電極的綜合性能，并延長(zhǎng)其使用長(zhǎng)壽命。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種聚合物電解質(zhì)膜電極的制備方法，其特征在于該方法按如下步驟制備：

1)聚合物電解質(zhì)膜預(yù)處理：將聚合物電解質(zhì)膜平鋪在基板上，并加熱到玻璃化溫度，使聚合物電解質(zhì)膜達(dá)到接近熔融的粘流狀態(tài)；

2)配制催化劑混合物：將催化劑、聚合物電解質(zhì)材料和分散劑混合，經(jīng)超聲振蕩分散后，形成均勻分散的催化劑混合物，其中，催化劑：聚合物電解質(zhì)材料∶分散劑的質(zhì)量比＝1∶0.1～10∶2～500；

3)將配制好的催化劑混合物均勻地制備在步驟1)中預(yù)處理的聚合物電解質(zhì)膜的兩側(cè)，形成兩側(cè)載有催化層的三合一膜電極組件；