[發明專利]一體式膜電極及其制備方法

在審

• 申請號: 202010135699.8
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN113346114A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 李海濱;喬睿;劉磊;劉旻碩
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/0273
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 沈攀攀;許亦琳

本發明涉及電化學技術領域，特別是涉及一種一體式膜電極及其制備方法。本發明一方面提供一種膜電極，所述膜電極具有一體結構，所述膜電極包括依次層疊設置的第一氣體擴散層電極、第一質子交換膜層、第二質子交換膜層和第二氣體擴散層電極；還包括絕緣氣密邊框層，所述絕緣氣密邊框層設于所述第一質子交換膜層或第二質子交換膜層的周向邊緣。本發明的一體式膜電極具有質子交換膜與兩側氣體擴散電極結為一體的結構，制備過程無需熱壓或冷壓，質子交換膜與氣體擴散電極的催化層結合為一體，由此降低了質子交換膜和催化層之間的質子傳遞阻力，從而提升膜電極的燃料電池性能。

技術領域

本發明涉及電化學技術領域，特別是涉及一體式膜電極及其制備方法。

背景技術

燃料電池是通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。各種分類中，質子交換膜燃料電池受到廣泛關注，其工作溫度相對較低，發展較成熟，適合用作車載、便攜式和住宅用電源。

膜電極(MEA)是質子交換膜燃料電池的核心部件，它是電化學反應發生的重要場所，主要由氣體擴散層(GDL)、催化層(CL)和質子交換膜(PEM)組成。膜電極的制備方法、組裝工藝、物化特性、使用材料和運行條件等都會影響燃料電池的性能。

根據膜電極制備過程中催化劑層支撐基體的不同，常將膜電極的制備方法分為催化劑制備到基體上(CCS)和催化劑制備到膜上(CCM)兩種方法。CCS法是以氣體擴散層作為催化劑層的支撐基體，先混合催化劑及溶劑制備催化劑漿液，然后采用不同方法(噴涂、絲網印刷、刮涂等)將催化劑漿液涂布到經過預處理(PTFE疏水處理和微孔層涂布處理等)的碳紙或碳布上，制得氣體擴散電極(GDE)，然后將兩片制得的氣體擴散電極，中間夾持質子交換膜，形成三明治結構，通過熱壓或冷壓形成膜電極。CCM法則采用質子交換膜作為催化劑層的支撐基體，采用直接涂布方法，或者通過轉印方法，使催化劑層沉積到質子交換膜上，形成膜兩側附有催化層的膜電極結構，之后再在膜電極兩側壓上經過預處理(PTFE疏水處理和微孔層涂布處理等)的碳紙或碳布。與CCS法相比，CCM法能夠有效提高催化劑利用率、降低膜與催化層之間的質子傳遞阻力，成為當前膜電極制備的主流技術。但是，在制作過程中，噴涂催化劑時，因質子交換膜吸附催化劑漿液中的溶劑，而極易導致質子交換膜的膜體變形，影響后續燃料電池裝配，因而CCM法制作膜電極，工藝難度高。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種一體式膜電極及其制備方法，用于解決現有技術中的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明一方面提供一種膜電極，所述膜電極具有一體結構，所述膜電極包括依次層疊設置的第一氣體擴散層電極、第一質子交換膜層、第二質子交換膜層和第二氣體擴散層電極；還包括絕緣氣密邊框層，所述絕緣氣密邊框層設于所述第一質子交換膜層和/或第二質子交換膜層的周向邊緣。

在本發明的一些實施方式中，所述第一氣體擴散層電極包括依次層疊設置的第一氣體擴散層、第一微孔層和第一催化層；所述第一催化層和第一質子交換膜層相接觸。

在本發明的一些實施方式中，所述第一質子交換膜層選自全氟磺酸樹脂層、磺化聚醚醚酮層中的一種或多種的組合。

在本發明的一些實施方式中，所述絕緣氣密邊框層的材料選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纖維增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺、硅橡膠中的一種或多種的組合。

在本發明的一些實施方式中，所述絕緣氣密邊框層的厚度為5-100μm；所述絕緣氣密邊框層在膜電極的徑向方向上依次包括外邊框和內邊框，至少部分的所述外邊框外露于第一質子交換膜層和/或第二質子交換膜層，所述內邊框嵌入第一質子交換膜層和/或第二質子交換膜層。

在本發明的一些實施方式中，所述第二擴散層電極包括依次層疊設置的第二氣體擴散層、第二微孔層和第二催化層；所述第二催化層和第二質子交換膜層相接觸。