[發明專利]堿性陰離子交換膜燃料電池用帶過渡層膜電極的制備方法

有效

• 申請號: 201310409478.5
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN104425829B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發明（設計）人: 俞紅梅;劉艷喜;楊冬蕾;邵志剛;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及堿性陰離子交換膜燃料電池用帶有過渡層膜電極的制備方法，該制備方法能夠明顯改善電池性能及電池恒流連續運行放電穩定性。

背景技術

燃料電池是一種無污染的全新潔凈高效能源,可直接將燃料及氧化劑的化學能直接轉換成電能,在航空航天、軍事、電動汽車和區域性電站等領域有廣泛應用前景。質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有啟動快和高效節能等優勢，自上世紀九十年代以來，受到各國政府和能源、汽車、家電和軍工等各方面的廣泛關注，技術發展迅速。近年來已成功的應用在汽車、備用電源、移動式電站，水下動力系統電源等各個領域。但是其主要電極材料—貴金屬鉑并沒有改變，而在新型堿性陰離子交換膜燃料電池（APEFC）中，陽極氫氧化和陰極氧還原反應都具有較高的反應活性,可采用非貴金屬催化劑，將不受鉑的資源與成本的限制，所以近年來對堿性陰離子交換膜燃料電池的研究呈現上升趨勢。膜電極作為燃料電池核心部件，其結構通常為擴散層-催化層-隔膜-催化層-擴散層的“三明治”結構；薄層覆膜電極（CCM）目前則普遍采用噴涂的制備工藝，將催化劑、離子導體樹脂、有機溶劑組成的漿料噴涂到膜上，形成膜催化層一體化電極。膜電極中的三相界面是決定燃料電池反應速度的關鍵，而OH^-較H⁺的傳導慢，因此，堿性陰離子交換膜燃料電池電極結構的優化與制備將直接關聯到APEFC的性能與穩定性。

CN1983684A公開了一種堿性陰離子交換膜電極的制備方法，其步驟為首先在堿性陰離子交換膜兩面噴涂一層粘結劑；然后在粘結劑上噴涂由催化劑、去離子水及溶劑攪拌均勻得到的催化層漿料，制備得到薄層覆膜電極，將其夾于兩片氣體擴散層之間，熱壓后自然冷卻，即制成堿性陰離子交換膜電極。該膜電極會由于催化層漿料中沒有添加粘結劑而導致催化劑容易脫落等現象。

發明內容

本發明的目的在于提供一種堿性陰離子交換膜燃料電池用帶有過渡層膜電極，通過在堿性陰離子交換膜與由催化劑及堿性陰離子交換樹脂組成的催化層之間加有一層過渡層，提高催化層與堿性陰離子交換膜相界面間結合力，擴大三相反應界面，促進陰陽極催化層與堿性陰離子交換膜OH^-的傳導，從而提高堿性陰離子交換膜燃料電池的性能及穩定性。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種堿性陰離子交換膜燃料電池用帶有過渡層的膜電極制備方法，其特征在于，制備薄層覆膜電極過程中，在堿性陰離子交換膜與催化層之間加有一層過渡層，提高催化層與堿性陰離子交換膜界面結合力，擴大三相反應界面，從而提高電池性能及穩定性。具體制備過程如下：

（1）首先將過渡層前驅體采用高壓噴涂、靜電吸附、印刷等方法均勻涂覆于堿性陰離子交換膜兩側，然后再將催化層漿料涂覆于過渡層表面，待溶劑揮發完全后，自然冷卻得到薄層覆膜電極。

（2）將步驟（1）中制備的薄層覆膜電極夾于兩張疏水處理的陰、陽極多孔氣體擴散層之間，熱壓制備得到帶有過渡層的膜電極。

過渡層前驅體由堿性陰離子交換樹脂與溶劑按照質量比為1-10%：99-90%混合，超聲分散0.5-10h后得到。

催化層漿料中催化劑與溶劑質量比為1:20-100，催化劑與立體化樹脂的質量比為65-95%：35-5%。

所述堿性陰離子交換樹脂為季銨鹽型、季磷鹽型、PBI類、冠醚類等堿性陰離子交換樹脂。

所述過渡層溶劑為正丙醇、乙醇、異丙醇、去離子水、四氫呋喃、氯仿、丁醇、丙酮、乙二醇及乙酸乙酯中的一種或一種以上。

所述的堿性陰離子交換膜為季銨鹽型、季磷鹽型、PBI類、冠醚類等堿性陰離子交換膜。

所采用的催化劑為鉑基催化劑、低鉑催化劑或者非鉑基催化劑。

本發明與現有發明技術相比具有優點如下：

在堿性陰離子交換膜與由催化劑及堿性陰離子交換樹脂組成的陰陽極催化層之間分別貼接一層由催化層采用的立體化樹脂組成的過渡層。提高催化層與堿性陰離子交換膜三相界面結合力，使得催化層與膜之間的粘結效果更好，擴大三相反應界面，促進了陰陽極催化層與堿性陰離子交換膜OH^-的傳導，從而提高堿性陰離子交換膜燃料電池的性能及穩定性。

附圖說明

圖1為堿性陰離子交換膜膜電極結構示意圖。

其中1為堿性陰離子交換膜；2為陰、陽極過渡層；3為陰、陽極催化層；4為氣體擴散層；

圖2為實施例1制備膜電極組裝單電池的極化曲線及功率密度曲線圖。