[發明專利]一種生長晶須形成的燃料電池膜電極組件及制備方法

有效

• 申請號: 202011130816.8
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112259747B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 曾軍堂;陳慶;司文彬;白濤
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M4/96;H01M8/1004
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• 代理人: 暫無信息

本發明涉及燃料電池領域，公開了一種生長晶須形成的燃料電池膜電極組件及制備方法。包括如下制備過程：（1）將碳纖維紙兩面噴涂聚四氟乙烯乳液，干燥備用；（2）將多孔納米催化劑、氯化鋅、分散劑、沉淀劑加入水中，混合攪拌得到漿狀物；（3）將漿狀物、Nafion溶液、碳材料混合后涂布于碳纖維紙一側，加熱處理得到表面形成催化層的碳纖維紙；（4）將質子交換膜表面噴涂Nafion溶液后與碳纖維紙熱壓貼合，制得生長晶須形成的燃料電池膜電極組件。本發明通過將氯化鋅裝載于微孔催化劑中逐步形成氧化鋅晶須的同時形成宏觀纖維狀的催化劑纖維，晶須分布均勻，晶須網孔微細而均勻，并且制備工藝簡單，過程可控。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，公開了一種生長晶須形成的燃料電池膜電極組件及制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池也稱為聚合物電解質膜燃料電池，是一種新興、高效、環境友好的能源轉換應用電池，在運輸、固定以及可移動電源領域應用廣泛。其中，膜電極（MEA）是燃料電池的核心部件，通常由氣體擴散層、催化層和質子交換膜組成。

膜電極中，催化層是膜電極組件（MEA）中發生電化學反應的場所，催化層的性能和穩定性極大程度上決定了MEA 的電化學性能，同時催化層中的電催化劑的成本也占了MEA總成本的很大比例。為了降低催化劑成本，一方面不斷篩選復合催化劑，提高催化層的反應活性；另一方面，提升催化劑與質子交換膜的穩定性，減少損失，降低催化劑用量。而提升催化層微觀結構改性，特別是有序化催化層成為提升催化層性能的又一突破口。

通常的催化層是將催化劑與異丙醇溶劑和粘接劑分散均勻后通過超聲霧化噴涂粘接在質子交換膜層，形成的催化劑薄層微孔無序，影響傳質效果。在膜電極的載體結構中引入有序化的界面，對膜電極中的電荷和物質傳輸有著重要的作用，在質子交換膜界面有序化的催化劑、質子傳導體、導電體對提高質子交換、透氣性、排水性、催化效率均有作用，成為目前的研究熱點課題。

中國發明專利申請號201611014780.0公開了一種基于金屬氧化物納米帶的有序化膜電極及其制備方法和應用，包括金屬氧化物納米帶的制備，金屬氧化物納米帶的表面的修飾及有序化膜電極的裝配。首先在基底上生長具有規則取向的Co-OH-CO₃陣列，然后以Co-OH-CO₃納米棒陣列為模板制備金屬氧化物納米棒陣列，再在金屬氧化物納米棒陣列表面擔載催化劑，最后將陣列熱壓于離子交換膜上得到膜電極，并對膜電極進行凈化處理，所構建的有序化膜電極可應用于燃料電池、固體聚合物水電解池、一體式可再生燃料電池。

中國發明專利申請號201810296464.X公開了一種催化層全有序結構燃料電池電極和膜電極的制備方法，通過該發明方法所制備的燃料電池電極和膜電極中，催化層組分包括催化劑活性組分、催化劑載體和離子導體都具有有序化的陣列結構。這種全有序的催化層結構具有很高的三相反應界面，可以提供高效的電子、離子和物質傳輸通道，從而有效地降低電極內部的物質傳輸阻力、電荷傳輸阻力以及電化學極化電阻，有效地提高電極中的電化學反應效率和能量轉化效率。

根據上述，現有方案中用于質子交換膜燃料電池的膜電極中催化層有序化的設計和制備較為復雜，缺乏一定的可控性，制約了膜電極的進一步發展。

發明內容

目前應用較廣的質子交換膜燃料電池的膜電極中，催化層有序化過程存在制備工藝復雜、可控性差、性能不理想等缺陷，本發明提出了一種生長晶須形成的燃料電池膜電極組件及制備方法，可有效解決上述技術問題。

為解決上述問題，本發明采用以下技術方案：

一種生長晶須形成的燃料電池膜電極組件的制備方法，制備的具體過程為：

（1）將碳纖維紙兩面均勻噴涂聚四氟乙烯乳液，干燥，制得預處理的碳纖維紙；