[發明專利]一種氫燃料電池膜電極的制備方法

在審

• 申請號: 201410568683.0
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104377367A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發明（設計）人: 楊小貞;陳佳;吳明星;劉建國
• 申請（專利權）人: 昆山桑萊特新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林;夏恒霞

技術領域

本發明涉及一種氫燃料電池膜電極的制備方法。

背景技術

氫燃料電池是以氫氣為燃料，將化學能直接轉換為電能的發電裝置，具有快速啟動、可室溫運行、結構簡單、理論比能量密度高、環境友好等特點，特別適合用作便攜式電源、電動機車動力電源盒分散電站等，具有廣闊的應用前景。

膜電極是氫燃料電池的核心組件，其性能好壞直接影響電池的性能和穩定性。膜電極通常由質子交換膜和分別在該質子交換膜兩側的催化劑層和氣體擴散層組成，催化劑層是氫燃料電池發生電化學催化反應的重要場所，因此，其催化效率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鍵是要增加納米貴金屬催化劑顆粒表面與反應氣體、質子及電子的三相反應界面。具體地，氫氣反應氣體通過氣體通道到達貴金屬催化劑顆粒表面，經催化反應，產生質子和電子，產生的質子需要通過催化劑層中的質子導體網絡構建的質子通道向質子交換膜方向傳遞，而電子則由催化劑載體構建的導電網絡導向氣體擴散層，如果有一個通道不通暢，則燃料電池電化學反應就會受阻。然而，常規的膜電極組件制備很難在催化劑與質子交換膜之間形成良好的三相界面，這就降低了催化劑的利用率，加大了催化劑的用量，降低了電池的性能。為了提高燃料電池膜電極的性能，需提高催化劑的利用率。同時由于質子交換膜容易損壞、不易操作等特點，使得膜電極的制備工藝變得復雜，降低了膜電極的連續化生產，提高了工藝制備成本。

傳統的膜電極制備方法主要是將催化劑轉移到擴散層上形成催化層，然后通過熱壓工藝將擴散層、催化層、質子交換膜經過高溫高壓壓在一起，制備成膜電極。但此種制備催化層的方法，催化劑物料難免滲漏到擴散層的孔隙中，既影響擴散層中的孔結構，又降低了催化劑的利用率，很難降低燃料電池成本。同時采用此種將擴散層、催化層和質子交換膜熱壓一起的方法，提高加工難度，電池的成品率低，產品單一。

隨著技術的發展，20世紀90年代以后，人們嘗試直接把催化層作用到質子交換膜上，即制備質子交換膜核心組件CCM(?catalyst?coated?membrane)，這種方法可以提高催化劑的利用率，進一步降低Pt的擔載量。催化劑顆粒通過Nafion離子與膜直接接觸，從而提高了質子傳導性，而且CCM技術保持了原有的空隙結構，使氣體擴散更加容易，這樣制得的MEA性能比使用傳統方法得到的MEA有所提高。

美國專利US5211984、US6847518公開了一種轉印法制備膜電極，中國專利CN1560949、CN1862855也有類似方法，所述方法先將催化劑漿液涂到轉移介質上，干燥后把兩片分別涂有陽極、陰極催化劑的轉移介質與一片質子交換膜熱壓，剝離轉移介質后得到膜電極集合體。此方法所制得的催化層較薄，降低催化劑的用量，催化層與質子交換膜有較好的接觸，減少了溶劑對質子交換膜的影響，組裝的單電池具有較高的功率密度，但其不足之處在于溫度和壓力對膜以及對催化劑在膜上附著強度有影響且難以控制，而且在熱壓時，膜和轉移介質接觸的邊緣由于受力不均勻，常常會被破壞。另外，在轉移過程中，由于熱壓使得部分催化劑粘在轉移介質上，使得催化劑的利用率下降，同時，轉移介質經常由于熱壓發生變形而不能重復利用，增加制備成本，整個工藝過程復雜。

中國專利CN1838456N采用直接噴涂法制備燃料電池膜電極，采用固定框固定質子交換膜，此質子交換膜經過預處理，然后用紅外燈以及汞燈促進催化劑漿料的溶劑在噴涂過程中揮發，漿液分別噴涂在膜的兩側，用真空處理，固化催化層，但仍不能有效解決質子交換膜的溶脹，而且低溫真空處理后的催化層較容易與質子交換膜脫離，降低電極的使用壽命。

中國專利CN200610035275.4公開了一種直接噴涂制備燃料電池膜電極的方法，所述方法包括質子交換膜預處理后，固定于一個膜固定裝置中，然后在光照下將催化劑漿液直接噴涂在質子交換膜的兩面，經過低溫真空干燥而制得。此方法制得的膜電極解決了質子交換膜溶脹問題，但由于要對質子交換膜預處理且噴涂后要經過低溫真空干燥處理，存在工藝復雜，不易操作、制備周期長的不足。

中國專利CN200810024885.3提供了一種質子交換膜燃料電池膜電極的制備工藝，所述方法為采用膠帶或者橡膠板將質子交換膜四邊固定，在較高溫度下固定質子交換膜，解決了質子交換膜的溶脹問題。在膜電極的噴涂過程中，通過調節催化劑漿液的揮發速度，質子交換膜的加熱溫度，控制質子交換膜的溶脹，使催化劑均勻噴涂到膜上，改進制備過程中質子交換膜溶脹、變皺、催化劑用量過高等不足，但不足之處膜固定膜裝置過于依賴人工操作，需用溶劑使得質子交換膜溶脹才能與固定板脫縛，存在催化層對位不準，工藝復雜且生產效率低等不足。