[發(fā)明專利]一種燃料電池膜電極組件的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710595430.6
• 申請日: 2017-07-20
• 公開（公告）號: CN107437628B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邵航宇;楚天闊;谷軍
• 申請（專利權(quán)）人: 河南豫氫動力有限公司
• 主分類號: H01M8/1016
• 分類號: H01M8/1016;H01M8/1004
• 代理公司: 上?？剖⒅R產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 劉燕武

本發(fā)明涉及一種燃料電池膜電極組件的制備方法，包括以下步驟：(1)取催化劑分散于混合溶劑中，采用真空消泡工藝制備催化劑漿料；(2)將步驟(1)制備的催化劑漿料直接涂覆在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，干燥，即得到膜電極CCM；(3)將氣體擴(kuò)散層固定在步驟(2)制得的膜電極CCM兩側(cè)，并進(jìn)行封邊處理，即可制得所述燃料電池膜電極組件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明工藝簡單、高效，無需熱壓處理，質(zhì)子交換膜不會產(chǎn)生形變收縮，適合批量生產(chǎn)，產(chǎn)品一致性更好；催化層與質(zhì)子交換膜之間無界面效應(yīng)，質(zhì)子和電子傳遞的電阻更低，有效降低燃料電池的生產(chǎn)成本，適用于大電流放電的車載電堆。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種燃料電池膜電極組件的制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(以下稱為燃料電池)，是一種不經(jīng)卡諾循環(huán)，利用燃料 (氫氣)與氧化劑(一般采用空氣)的電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。由質(zhì)子交換膜與貴金屬催化劑構(gòu)成的燃料電池膜電極組件(MEA)是燃料電池的核心部件，在燃料電池的工作過程中，MEA需要有效地將燃料與氧化劑阻隔開，防止燃料與氧化劑混合直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，極端情況下甚至可能引起爆炸，或者燃料與氧化劑的互相滲漏引起的電池發(fā)電效率下降和壽命的衰減。

在質(zhì)子交換膜燃料電池中，陰陽極催化層一般都采用碳載納米Pt、Pd貴金屬或其合金作為催化劑。在燃料電池陰極發(fā)生電化學(xué)的過程中，空氣中的氧氣經(jīng)氣體擴(kuò)散層(GDL)向質(zhì)子交換膜擴(kuò)散，而陽極電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫質(zhì)子則透過質(zhì)子交換膜往陰極傳遞。質(zhì)子和氧氣在貴金屬催化劑表面活性位相遇后，發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)(ORR)生成水，兩種反應(yīng)物質(zhì)均消亡。

因此，如何高效地制備出性能優(yōu)異的燃料電池的核心部件CCM就顯得尤為重要。在目前大多數(shù)方法中，普遍采用的方法是將催化劑漿料通過氣體引流的方式直接噴涂于質(zhì)子交換膜上形成CCM。這種方法的最大缺點(diǎn)是噴涂速度慢，造成加工周期較長。另一種更適于量產(chǎn)的方法是將催化劑漿料直接涂布于氣體擴(kuò)散層或者轉(zhuǎn)印膜上，通過熱壓轉(zhuǎn)印至質(zhì)子交換膜上的方法形成CCM。但該工藝增加了轉(zhuǎn)印步驟，操作復(fù)雜、繁瑣。顯然，將催化劑漿料直接涂布于質(zhì)子交換膜上，將大大簡化制作流程，提高生產(chǎn)效率。然而，由于漿料配方的欠缺，如果直接涂覆于質(zhì)子交換膜上，會造成膜的收縮形變，進(jìn)一步造成催化劑分布不均、產(chǎn)生裂紋、皸裂、龜裂，甚至起殼、脫落，最終影響燃料電池的發(fā)電性能。

膜電極組件的制備，如專利CN200710001423.5所述，可降低電極與質(zhì)子交換膜之間的電阻，但采用在支撐膜上涂布催化層并通過熱壓轉(zhuǎn)印的方法得到催化劑涂布膜，制造工藝繁瑣，不利于大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品一致性欠佳。如專利 CN200780042860.X所述，使用一種或多種掩膜，采用噴涂工藝，涂布陰極和陽極層之后，制備擴(kuò)散層并將其插入到所述涂覆有催化劑的膜上，熱壓后形成膜電極組件，此方法改善了質(zhì)子交換膜產(chǎn)生收縮形變的問題，但催化層與質(zhì)子交換膜之間存在界面效應(yīng)，質(zhì)子和電子傳遞電阻偏高，使燃料電池性能變差。如專利 CN201180015920.5所述，以加持電解質(zhì)膜的方式配置一對涂布有電極催化層的基材，并利用一對層壓輥從所述基材外側(cè)施加熱壓力，從而熱轉(zhuǎn)印電極催化層得到 CCM，其方法雖然控制了質(zhì)子交換膜的收縮形變，但通過轉(zhuǎn)印工藝，操作繁雜，而且催化層和質(zhì)子交換膜之間存在界面效應(yīng)，降低了MEA的性能。如專利 CN200810024885.3所述，將質(zhì)子交換膜置于雙氧水中處理，并將其放在純凈水中煮沸，最后在蒸餾水中洗滌干凈，配置好漿料后采用噴涂工藝制作CCM，生產(chǎn)工藝繁瑣，工作周期長，不利于大批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種燃料電池膜電極組件的制備方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種燃料電池膜電極組件的制備方法，包括以下步驟：

(1)取催化劑倒入全氟磺酸溶液(即Nafion溶液)中，再加入混合溶劑，采用真空消泡工藝使離聚物充填并吸附進(jìn)所述催化劑及其載體顆粒的微孔中，制備催化劑漿料；