[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?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發明涉及一種可控表面屈曲燃料電池膜電極制備方法，通過預拉伸質子交換膜，在保持預拉伸的表面進行催化劑原子沉積形成納米厚度的貴金屬催化層，釋放帶有催化層的質子交換膜，形成表面屈曲形狀，并通過控制預拉伸應變、催化層厚度以及后處理工藝的不同控制表面屈曲周期和波峰等參數的方法。與現有技術相比，本發明采用梯度剛度的涂層/柔性基底的有序表面屈曲現象來實現質子交換膜燃料電池的表面屈曲催化層制備，操作方法簡單，制備結構多樣，催化層傳質性能高，可滿足新一代燃料電池的性能需求和工藝成本控制。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，涉及了一種表面屈曲可控的燃料電池膜電極制備方法。

背景技術

燃料電池是一種能量轉換裝置，可以將燃料中儲存的化學能轉化為電能。質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)以全氟磺酸型固體聚合物為電解質隔膜，鉑/碳或鉑-釕/碳等為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，碳纖維或碳顆粒搭接組裝成多孔氣體擴散層，帶有流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。反應原理為氫氣通過陽極雙極板流道，經過陽極氣體擴散層到達催化層，在催化劑位置分解為質子和電子，質子經過電解質隔膜到達陰極催化層，電子經過外界負載輸出電能，并向陰極傳遞。同時，氧氣經過陰極雙極板流道和陰極氣體擴散層，到達陰極催化層，與陽極傳遞過來的質子和電子發生氧化反應，生成水并產熱。一節典型的燃料電池的輸出電壓約為1伏，為了達到一個較高的電壓通常將多節燃料電池集成在一起串聯形成燃料電池堆。其中，發生電化學反應，將化學能轉化為電能的部件是催化層。

催化層位于電解質隔膜和氣體擴散層中間，分為陽極催化層和陰極催化層，主要成分為鉑/碳或鉑-釕/碳等為電催化劑，主要功能為傳導電子、質子和氧氣，分解氫氣，發生氫的水合反應，以及傳遞和向外排出生成的水。為了提高鉑的利用率，促進質子運輸，現有催化層制備工藝主要是離聚物浸漬鉑/碳催化劑顆粒，離聚物用作粘合劑，促進質子的運輸，從而提高催化劑的利用率和有效性。然而，高級的形態學和功能表征顯示，多達60％的Pt納米顆粒會被捕獲在碳載體顆粒的微孔中。離聚物簇和氧分子幾乎不能進入微孔，導致Pt利用率和有效性低。此外，覆蓋Pt納米顆粒的離聚物薄膜會導致明顯的質量傳輸損失，尤其是在高電流密度下。因此，需要設計不含離聚物的超薄催化劑層來提高催化劑利用率并降低Pt負載。

經過現有技術文獻檢索發現，中國發明專利CN111224137A公開的一種質子交換膜燃料電池的雙功能有序化膜電極，通過氣相沉積的方法生長出具有特定長度合密度的碳納米管陣列，并采用磁控濺射的方法負載貴金屬催化層，但該方法工藝較為復雜，難以大規模制備。中國專利CN111384410A公開了一種了具有裂紋的燃料電池用雙層催化劑層，但總體催化層厚度難以減小，且存在離聚物薄膜帶來的較高的氧氣傳輸阻力的問題。上述兩種方法實現了膜電極催化層的結構控制和貴金屬載量控制，但是制備工藝簡單、貴金屬載量低且兼顧水、氣傳輸性能提升的催化層制備工藝仍然較少。

發明內容

本發明的目的就是為了克服現有燃料電池膜電極貴金屬載量偏高、水氣綜合傳輸性能不足的缺陷而提供一種通過預拉伸結合沉積工藝制備可控表面屈曲的超薄膜電極的方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種可控表面屈曲燃料電池膜電極制備方法，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；

3)釋放經過所需步驟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；