[發(fā)明專利]一種低鉑質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010411483.X
• 申請(qǐng)日: 2020-05-15
• 公開（公告）號(hào): CN111584880B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉凱;張義煌;許笑目;陳杰;李剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 無錫威孚高科技集團(tuán)股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/92;H01M8/1004;H01M4/88
• 代理公司: 無錫市大為專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32104
• 代理人: 曹祖良

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種低鉑質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法。本發(fā)明的低鉑質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極包括在質(zhì)子交換膜兩側(cè)涂布催化層，所述催化層包括多孔材料及填充在多孔材料內(nèi)的催化劑，所述催化劑是鉑載量為40%?60%的鉑碳催化劑中的一種或多種。本發(fā)明膜電極的催化層采用多孔材料及填充在多孔材料內(nèi)的催化劑制備而成，通過調(diào)節(jié)膜電極催化層結(jié)構(gòu)來降低鉑使用量，采用部分結(jié)構(gòu)有序化工藝，調(diào)節(jié)膜電極催化層結(jié)構(gòu)來降低鉑使用量，降低燃料電池成本。本發(fā)明的膜電極相對(duì)于傳統(tǒng)膜電極，因采用部分有序化結(jié)構(gòu)，能夠有效提高催化劑利用率，降低催化劑載量，克服膜電極溶脹問題，易于放大，有利于批量生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種低鉑質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）作為一種新型的清潔能源，由于其低污染甚至是無污染性被全球廣泛關(guān)注。隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，成本、功率密度與壽命成為其商業(yè)化的關(guān)鍵因素。作為燃料電池的關(guān)鍵性材料之一，膜電極的作用舉足輕重，其穩(wěn)定性和價(jià)格直接決定了電池的耐久性和成本。

在制備膜電極在過程中，無論是鉑合金以及非鉑催化劑，其目標(biāo)都是在不降低膜電極性能及壽命的前提下，極大的降低鉑使用量，從而降低膜電極成本。現(xiàn)有在技術(shù)主要是通過提高催化劑性能或使用非鉑催化劑來降低鉑載量，現(xiàn)階段鉑碳催化劑和鉑合金催化劑性能很難得到提升，非鉑催化劑還處于研發(fā)階段，量產(chǎn)之日遙遙無期。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種低鉑質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備方法。本發(fā)明膜電極的催化層采用多孔材料及填充在多孔材料內(nèi)的催化劑制備而成，通過調(diào)節(jié)膜電極催化層結(jié)構(gòu)來降低鉑使用量，采用部分結(jié)構(gòu)有序化工藝，調(diào)節(jié)膜電極催化層結(jié)構(gòu)來降低鉑使用量，降低燃料電池成本。本發(fā)明所述膜電極相對(duì)于傳統(tǒng)膜電極，因采用部分有序化結(jié)構(gòu)，能夠有效提高催化劑利用率，降低催化劑載量，克服膜電極溶脹問題，易于放大，有利于批量生產(chǎn)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種低鉑質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極，包括在質(zhì)子交換膜兩側(cè)涂布催化層，所述催化層包括多孔材料及填充在多孔材料內(nèi)的催化劑，所述催化劑是鉑載量為40%-60%的鉑碳催化劑中的一種或多種。

所述多孔材料采用耐腐蝕且穩(wěn)定的疏水材料制成，包括膨體聚四氟乙烯或/和聚偏氟乙烯。

所述多孔材料孔隙率為80%以上，多孔材料實(shí)際厚度為1-10μm，實(shí)際孔徑為10-200μm。

所述低鉑質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法，包括以下步驟：

（1）在多孔材料表面，利用薄膜制備技術(shù)制備催化層，催化層表面鉑載量為0.05-0.3mg/cm²；

（2）在催化層表面噴涂Nafion溶液，得到有粘結(jié)性能的催化層，催化層表面Nafion的含量為 0.04-0.3mg/cm²；

（3）將步驟（2）制得的催化層與質(zhì)子交換膜加壓組裝，得到催化層覆蓋的質(zhì)子交換膜CCM，其中加壓溫度為25-140℃，壓力為10-30bar，加壓時(shí)間為50-180 s；

（4）將CCM兩面點(diǎn)膠后粘合氣體擴(kuò)散層得到低鉑質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極。

所述步驟（1）中催化層的制備方法：將多孔材料置于催化劑墨水中浸泡，當(dāng)多孔材料內(nèi)催化劑含量不再增加時(shí)，取出多孔材料并烘干，并在烘干后的多孔材料表面進(jìn)行催化劑墨水的涂覆并烘干。在設(shè)定溫度為40-150℃的烘箱中進(jìn)行所述烘干過程。