[發(fā)明專利]燃料電池膜電極的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110223762.4
• 申請日: 2011-08-05
• 公開（公告）號: CN102916199A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉志祥;王誠;毛宗強
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)（深圳）有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃料電池膜電極的制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池是通過發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的一種發(fā)電裝置。燃料電池通常可分為堿性燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池、以及質(zhì)子交換膜燃料電池等（請參見，Recent?advances?in?fuel?cell?technology?and?its?application,?Journal?of?Power?Sources,?V100,?P60-66（2001））。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池近年來發(fā)展迅速，越來越受到重視。

膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，膜電極通常由一質(zhì)子交換膜和分別設(shè)置在該質(zhì)子交換膜兩表面的電極組成。通常，電極又包括催化劑層和氣體擴散層，且催化劑層設(shè)置在氣體擴散層與質(zhì)子交換膜之間。所述催化劑層的主要成份包括催化劑、催化劑載體、質(zhì)子導(dǎo)體及粘結(jié)劑，所述催化劑載體通常為碳顆粒，所述催化劑為高度分散在該催化劑載體中的納米貴金屬顆粒。催化劑層是燃料電池發(fā)生電化學(xué)催化反應(yīng)的重要場所，因此，其催化效率的高低很大程度上決定了燃料電池的性能。提高催化劑層催化效率的關(guān)鍵是要增加納米貴金屬催化劑顆粒表面與反應(yīng)氣體、質(zhì)子及電子的三相反應(yīng)界面。具體地，氫氣等反應(yīng)氣體通過氣體通道到達(dá)貴金屬催化劑顆粒表面，經(jīng)催化反應(yīng)，產(chǎn)生質(zhì)子和電子。產(chǎn)生的質(zhì)子需要通過催化劑層中的質(zhì)子導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的質(zhì)子通道向質(zhì)子交換膜方向傳遞，而電子則由催化劑載體構(gòu)建的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)向氣體擴散層。如果有一個通道不通暢，則燃料電池電化學(xué)反應(yīng)就會受阻。

然而，目前燃料電池的催化劑層是通過刷涂、噴涂、印刷等各種工藝手段將催化劑漿料制備到氣體擴散層或質(zhì)子交換膜的表面，通過該方法形成的催化劑層是一種由很多團(tuán)聚體構(gòu)成的無序堆積結(jié)構(gòu)，很多貴金屬催化劑顆粒深埋在團(tuán)聚體內(nèi)部，很難起到催化作用，因此，這種無序堆積結(jié)構(gòu)勢必會造成局部質(zhì)子傳導(dǎo)、電子傳導(dǎo)或氣體傳導(dǎo)的死區(qū),使得催化劑的利用率很低。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，確有必要提供一種具有較高催化劑利用率的膜電極的制備方法。

一種燃料電池膜電極的制備方法，其包括以下步驟：提供一多孔模板；在該多孔模板的孔洞內(nèi)形成具有電子導(dǎo)電性的管狀載體；在所述管狀載體的內(nèi)壁中均勻附著多個催化劑顆粒；在所述附著有多個催化劑顆粒的管狀載體內(nèi)注入質(zhì)子導(dǎo)體；提供一質(zhì)子交換膜，并將該質(zhì)子交換膜夾持在上述兩個多孔模板間以形成一層疊結(jié)構(gòu)，熱壓該層疊結(jié)構(gòu)；去除所述經(jīng)過熱壓的層疊結(jié)構(gòu)中的多孔模板，僅留下所述被質(zhì)子導(dǎo)體填充且管壁附著有催化劑顆粒的管狀載體，該管狀載體的一端與所述質(zhì)子交換膜相連以使所述質(zhì)子導(dǎo)體與所述質(zhì)子交換膜相接觸，從而獲得所述膜電極。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，通過本發(fā)明提供的制備方法所制備的燃料電池膜電極中的催化劑顆粒均勻吸附在具有電子導(dǎo)電性的多個管狀載體的內(nèi)壁上，且該多個管狀載體共同定義了多個反應(yīng)氣體通道，使得該燃料電池膜電極在工作的過程中：反應(yīng)氣體可通過該多個反應(yīng)氣體通道到達(dá)所述管狀載體的管壁，進(jìn)而透過所述管狀載體的管壁充分與所述催化劑顆粒接觸；由于該管狀載體內(nèi)填充的質(zhì)子導(dǎo)體不僅直接與質(zhì)子交換膜接觸，還與管狀載體管壁上的催化劑顆粒直接接觸，從而使所述通過質(zhì)子交換膜或質(zhì)子導(dǎo)體傳導(dǎo)的質(zhì)子可充分與催化劑顆粒接觸，且由于該質(zhì)子導(dǎo)體位于管狀載體管內(nèi)，使得該質(zhì)子導(dǎo)體不會阻擋所述反應(yīng)氣體充分到達(dá)所述催化劑顆粒；由于管狀載體自身具有電子導(dǎo)電性，從而使得管狀載體傳導(dǎo)的電子也可直接與催化劑顆粒接觸，因此，該燃料電池膜電極中的催化劑顆粒可充分與反應(yīng)氣體、質(zhì)子和電子接觸，提高了該燃料電池的利用率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的具有相互交叉形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多個管狀載體的燃料電池膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例提供的具有多個不同形狀的管狀載體的燃料電池膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例提供的具有多個相互平行且間隔設(shè)置的管狀載體的燃料電池膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例提供的燃料電池膜電極的制備工藝流程圖。

圖5為本發(fā)明實施例提供的燃料電池膜電極的制備過程流程圖。

主要元件符號說明