[發明專利]一種質子交換膜燃料電池的膜電極組件及其制備方法

無效

• 申請號: 201210272335.X
• 申請日: 2012-08-01
• 公開（公告）號: CN102769141A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 石偉玉;慕竣屹;李娜;邢丹敏;侯中軍;薛馨偉;張玉海
• 申請（專利權）人: 新源動力股份有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M8/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李洪福

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池領域，具體地說是一種質子交換膜燃料電池的膜電極組件及其制備方法。

背景技術

膜電極組件（MEA）是燃料電池發電的關鍵核心部件，膜電極組件與其兩側的雙極板組成了燃料電池的基本單元即燃料電池單池。質子交換膜燃料電池的膜電極組件均為氣體擴散電極，由氣體擴散層、催化層及質子交換膜組成，傳統的膜電極組件是將Pt/C催化劑與一定量的聚四氟乙烯（PTFE）混合均勻后，采用刮涂、噴涂、絲網印刷等方法制備在氣體擴散層（GDL）上，形成氣體擴散電極（GDE），即將催化層制備在氣體擴散層上，最后將氣體擴散電極與質子交換膜在一定溫度下壓合得到，稱為GDE型膜電極組件。專利CN02138482.7、CN200410013147.0、CN200410027867.2等均涉及到GDE型膜電極組件的制備方法。但此方法制備的膜電極組件中催化劑利用率較低，電極性能較差，已逐漸被淘汰。

目前，比較先進的膜電極組件制備方法是將全氟磺酸樹脂與催化劑混合均勻形成漿料，再通過轉移法、噴涂法等將催化層制備在質子交換膜上，形成薄層覆膜催化層電極即CCM，最后將氣體擴散層與CCM在一定溫度下壓合得到膜電極組件，稱為CCM型膜電極組件。CCM型膜電極組件由于催化層直接制備在質子交換膜上，催化層與質子交換膜結合良好，顯著提高了催化劑的利用率和質子傳導能力，是目前質子交換膜燃料電池膜電極組件制備的主流技術路線。但對于CCM型膜電極組件，由于氣體擴散層通常采用含有一定聚四氟乙烯的碳纖維紙，而催化層則通常為全氟磺酸樹脂和催化劑，材料組成各不同，因此在MEA制備過程中，氣體擴散層與催化層結合力較弱，在使用過程中容易出現氣體擴散層與催化層分離，導致接觸電阻增大、反應物質擴散阻力增加等問題，從而使得膜電極組件性能下降、壽命縮短。

專利CN03139647.X提出了一種質子交換膜燃料電池膜電極組件的制備方法，采用低沸點、低粘度醇為分散劑，以高沸點、高粘度醇為穩定劑制備催化劑漿料，然后通過絲網印刷、噴涂或刷涂等方法置于質子交換膜兩側，最后將涂有催化劑的膜電極與憎水處理的碳紙或碳布在一定溫度和壓力下得到膜電極組件。專利CN200610035275.4公開了一種直接噴涂制備燃料電池膜電極的方法，具體工藝是將質子交換膜預處理后固定于一個裝置中，采用噴涂的方法將催化劑漿料噴涂于質子交換膜表面得到CCM，然后再與氣體擴散層組合得到完整的膜電極組件。專利CN200710044270.2、US5211984和US6847518則是通過轉移的方法得到CCM，即首先將催化劑漿料涂到一種轉移介質上，然后把兩片分別涂有陰、陽極催化劑的轉移介質與質子交換膜熱壓，剝離后得到CCM，最后再與氣體擴散層組裝后得到膜電極組件。此外，專利CN200810024885.3、CN200810300046.X、CN200910184058.5、CN200910056321.2等也均涉及到CCM型膜電極組件的制備方法。但上述所有專利都并沒有涉及膜電極組件中氣體擴散層與CCM催化層的結合力問題，氣體擴散層與CCM催化層的結合是否良好關系到膜電極組件結構的穩定性、性能及壽命。

發明內容

根據上述提出的技術問題，而提供一種質子交換膜燃料電池的膜電極組件及其制備方法。本發明通過在氣體擴散層表面涂覆少量的全氟磺酸樹脂，在熱壓合過程中，氣體擴散層表面全氟磺酸樹脂與催化層中全氟磺酸樹脂相互粘結，從而有效增強氣體擴散層與催化層間結合力，也即氣體擴散層與CCM的結合力，從而提高質子交換膜燃料電池膜電極組件在使用過程中的結構穩定性，提升膜電極組件性能及延長膜電極組件壽命。

本發明采用的技術手段如下：

一種質子交換膜燃料電池的膜電極組件的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

S1.配制質量濃度為0.1～1%的全氟磺酸樹脂溶液，溶劑為水和正丙醇的混合溶液，其中，混合溶液中水與正丙醇的質量比為1:1；

S2.取一塊陽極氣體擴散層，在其一側的表面上涂覆由步驟S?1制得的全氟磺酸樹脂溶液，涂覆的全氟磺酸樹脂的量為0.01～0.1mg/cm²，在25℃～80℃下烘干得到全氟磺酸樹脂層Ⅰ；取一塊陰極氣體擴散層，在其一側的表面上涂覆由步驟S1制得的全氟磺酸樹脂溶液，涂覆的全氟磺酸樹脂的量為0.01～0.1mg/cm²，在25℃～80℃下烘干得到全氟磺酸樹脂層Ⅱ；