[發(fā)明專利]一種燃料電池膜電極及其制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110098768.7
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112838251A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁俊杰;余金禮
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢綠知行環(huán)保科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/86;H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 深圳得本知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44762
• 代理人: 袁江龍

1.一種燃料電池膜電極，包括陽極擴(kuò)散層，陽極催化層，電解質(zhì)層，陰極催化層，陰極擴(kuò)散層。其特征在于陰、陽極所用擴(kuò)散層厚度，催化層厚度及離子聚合物組成比例均不同；其中陰極催化層中含有一種或多種的催化劑與離子聚合物，催化劑與離子聚合物處于梯次梯度分布狀態(tài)。

2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的陽極催化層中催化劑為鉑碳催化劑；陰極催化層中催化劑包括鉑合金催化劑，鉑碳催化劑，以及不含有鉑的非貴金屬催化劑中的一種或多種。其特征在于，陰極催化劑層較陽極催化層較厚；陰極催化層中不同種類的催化劑有梯次順序，各種催化劑的含量是梯度分布的；其梯次順序是通過涂布順序?qū)崿F(xiàn)的，含量梯度分布是通過控制催化層厚度或催化劑的活性物質(zhì)濃度來控制的；離子聚合物的梯度分布是通過調(diào)節(jié)離子聚合物用量實現(xiàn)的；陽極催化層厚度為0.5-20um和陰極催化層厚度均為2-20um。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池膜電極，所述擴(kuò)散層為包含基底材料的一體化材料，包括但不限于多孔碳材料，金屬泡沫材料；更進(jìn)一步的所述擴(kuò)散層為碳片電極和金屬網(wǎng)電極，包括但不限于碳紙，碳布，石墨氈，泡沫鎳，泡沫銅，泡沫鈦及其改性材料。作為優(yōu)選的，所述材料為涂有碳粉和(或)聚四氟乙烯的碳紙、碳布等；且用于陰極的擴(kuò)散層較陽極擴(kuò)散層薄。

4.根據(jù)權(quán)力要求1所述離子聚合物為具有離子導(dǎo)通能力的聚合物，包括但不限于全氟磺酸樹脂、磺化聚亞酰胺、磺化聚醚醚酮、磷酸化苯并咪唑等的一種及多種。

5.一種燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于催化劑與離子聚合物處于梯次梯度分布狀態(tài)；電解質(zhì)層采用直接成膜工藝制備。其具體制備步驟如下：

1)將非鉑催化劑、鉑碳催化劑、鉑合金催化劑的一種或多種，分別分散于含有離子聚合物和添加劑的低碳醇溶液中，形成不同的墨水。墨水中催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％-80％，離子聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01％-50％。

2)將所得墨水通過刀刮、噴涂、涂布、打印、滾卷、轉(zhuǎn)印、紡絲等方式，依次涂布在規(guī)則的擴(kuò)散層基底上，得到含有催化層得到陰極前驅(qū)體。各層厚度尺寸為0-20um,各種催化劑載量為0-2mg/cm²。當(dāng)含量為0時，代表該物種不存在。

3)將具有離子導(dǎo)體功能的離子聚合物分散液和增強(qiáng)體，通過刀刮、噴涂、涂布、打印、滾卷、轉(zhuǎn)印、紡絲等方式，涂布到陰極前驅(qū)體上形成電解質(zhì)層并得到陰極半電極。其中離子聚合物分散液濃度為1％-90％，形成的電解質(zhì)層厚度為1-100um。

4)重復(fù)按照步驟1)，2)，3)得到陽極半電極。

5)將增強(qiáng)體分散液，涂布在陰陽半電極的電解質(zhì)層的一面；或在陰陽半電極上直接均勻貼合成品多孔增強(qiáng)膜。增強(qiáng)體為惰性骨架有機(jī)物，包括但不限于各類樹脂分散液及其構(gòu)成的膜。根據(jù)所選離子聚合物不同，本步驟可以實施，也可以不實施。

6)將陰極半電極或半陽極電極裁剪成一定的形狀并進(jìn)行組裝，得到膜電極前驅(qū)體。組裝壓力為0.5-10個大氣壓，組裝溫度為100-500攝氏度。

7)將步驟6)所得的膜電極前驅(qū)體經(jīng)過熱處理，固化處理和壓力處理之后得到五合一的目標(biāo)膜電極。所述熱處理溫度為100-500攝氏度，時間為0.1-10小時，固化時間為0.1-48小時，處理壓力為1-50個大氣壓。

8)根據(jù)產(chǎn)品需要，在步驟6)實施亦可加入密封片，從而形成七合一膜電極。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述低碳醇為甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、乙二醇的一種或任意混合物等，所述添加劑包括二甲基亞砜、乙腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、銨鹽、鈉鹽、鉀鹽的一種或任意組合等。

7.根據(jù)權(quán)利要5步驟2)所述梯次為非鉑催化劑、鉑催化劑、鉑合金催化劑的任意排列，或為低活性物質(zhì)含量的催化劑，中活性物質(zhì)含量的催化劑，以及高活性物質(zhì)含量的催化劑的任意排列。所得催化層中，各類型催化劑所對應(yīng)的涂布層具有一定的順序，不同的層厚，含量和梯度分布。作為優(yōu)選的，其次序從擴(kuò)散層到電解質(zhì)層依次為非貴金屬催化劑，鉑催化劑，鉑合金催化劑；或低活性物質(zhì)比例的催化劑，中活性物質(zhì)比例的催化劑，高活性物質(zhì)比例的催化劑。