[發明專利]一種可控表面屈曲燃料電池膜電極制備方法

有效

• 申請號: 202110228885.0
• 申請日: 2021-03-02
• 公開（公告）號: CN112786901B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 邱殿凱;萬月;彭林法;易培云;來新民
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92;H01M8/1006
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

1.一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，包括步驟：

1）采用質子交換膜作為基底，利用定應變的拉伸方法，對質子交換膜進行預拉伸并保持拉伸應變；

2）利用涂層沉積技術在質子交換膜表面沉積，形成納米厚度的硬質貴金屬層，作為燃料電池的催化層；涂層沉積材料包括鉑、鈀、銠、銥、鋨、釕、鎵、銦中的一種或幾種；

3）釋放經過所述步驟2）的質子交換膜的預應變，通過質子交換膜的回彈和質子交換膜-催化層的剛度差異實現表面屈曲，得到具有納米結構屈曲的高比表面積納米催化層，以此作為反應氣體及氣態水傳輸通道；

4）對步驟3）得到的表面屈曲催化層進行二次拉伸，二次拉伸方向不平行于預拉伸方向，形成不可恢復的硬質催化層裂紋，作為水與質子的傳輸通道；

5）根據催化層厚度與裂紋寬度之間的比值，對步驟4）得到的帶裂紋的屈曲催化層進行全氟磺酸樹脂離聚物溶液的涂覆，填充表面裂紋并烘干，形成水與質子的傳輸通道，實現可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備。

2.根據權利要求1所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，步驟1）中質子交換膜基底的厚度為100nm-200μm。

3.根據權利要求1所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，步驟1）中質子交換膜基底表面進行預處理，預處理方法包括離子刻蝕，圖案化熱壓，選擇性涂覆中的一種或其組合。

4.根據權利要求1所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，步驟1）中所述的定應變的拉伸方法是指采用夾具固定基底，并沿預拉伸方向進行拉伸，預拉伸應變區間不小于1%。

5.根據權利要求4所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，所述的預拉伸應變區間為1%~15%。

6.根據權利要求4所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，所述的預拉伸方向包括單向、雙向或三向；

預拉伸方向為雙向或三向時，各個方向的夾角大于0°且小于90°。

7.根據權利要求1所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，步驟2）中所述的涂層沉積技術包括CVD或者PVD技術；

涂層沉積過程中保持質子交換膜溫度為20℃~100℃；

沉積的涂層厚度為1 nm~20μm。

8.根據權利要求1所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，步驟4）中所述的二次拉伸方向為不平行于預拉伸方向的任意1個或多個方向；

二次拉伸應變區間為塑性區間，應變區間不小于1%；

二次拉伸過程中保持質子交換膜溫度為20℃~100℃。

9.根據權利要求8所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，所述的二次拉伸應變區間為5%~15%。

10.根據權利要求1所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，步驟5）所述全氟磺酸樹脂離聚物溶液的涂覆方法包括旋涂、提拉、遮擋涂布或其組合工藝方法；

全氟磺酸樹脂離聚物溶液的烘干溫度為80℃~120℃，烘干時間為10s~5min；

全氟磺酸樹脂離聚物溶液涂覆后的干膜厚度為1-100nm。

11.根據權利要求1所述的一種可控表面屈曲燃料電池膜電極催化層的制備方法，其特征在于，步驟5）得到的燃料電池催化層還進行后處理，后處理方法包括離子刻蝕，化學氣相沉積或電子刻蝕。

12.一種可控表面屈曲燃料電池膜電極，其特征在于，該膜電極包括Nafion電解質膜，在電解質膜兩側設有權利要求1-9任一所述方法形成的催化層，催化層外側還依次設有微孔層和碳紙層。