[發明專利]一種抗水淹高性能膜電極及其制備方法

在審

• 申請號: 202110750637.2
• 申請日: 2021-07-02
• 公開（公告）號: CN113659152A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 趙明全;鐘家強;莫善云;楊云松;葉思宇;鄒渝泉;唐軍柯;孫寧;吳力杰
• 申請（專利權）人: 鴻基創能科技（廣州）有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/1004;H01M8/0276;H01M8/028
• 代理公司: 廣州潤禾知識產權代理事務所(普通合伙) 44446
• 代理人: 鄭永泉;黃潔玲

本發明提供一種抗水淹高性能膜電極的制備方法，屬于燃料電池領域，包括如下步驟：制備陰、陽極催化劑漿料；制得的陰、陽極催化劑漿料分別涂布在質子交換膜的兩側形成陰、陽極催化層；制備陰、陽極疏水膜漿料；制得的陰、陽極疏水膜漿料分別涂布在所述的陰、陽極催化層上形成導電的陰、陽極疏水性膜層，制得具有疏水性膜層的CCM；將具有導電的疏水性膜層的CCM兩邊組裝邊框和氣體擴散層得到膜電極；本發明通過將疏水膜漿料直接涂布在催化層上形成導電的疏水性膜層，利用催化層和氣體擴散層之間的導電疏水性膜層防止膜電極出現水淹，保證氣體的傳輸，且平衡催化層內的水含量，無需在催化層中添加額外物質，催化層的電阻和氣體傳輸阻力不會增加。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，更具體地，涉及一種抗水淹高性能膜電極及其制備方法。

背景技術

以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池(PEMFC)在運行過程中需要水的參與，水在膜電極/燃料電池中是一把“雙刃劍”。一方面，膜電極中水的存在具有促進質子傳輸的積極作用；另一方面膜電極中的水如果太多則會造成膜電極水淹的消極影響。

膜電極/燃料電池的水管理，尤其是高電流密度之下的膜電極的水管理能力尤為重要。為了提高燃料電池功率密度，行業內越來越關注高工作電流密度下膜電極/燃料電池性能；在膜電極/燃料電池運行的過程中會產生水，并且水的產生量隨膜電極/燃料電池工作的電流密度升高而增加。水容易凝集在大的孔隙、涂層裂縫中以及催化層和氣體擴散層的界面上。大孔隙和裂縫中的水可導致部分氣體傳輸通道被阻塞，而催化層和氣體擴散層間形成的水膜則會導致大部分氣體傳輸通道被阻塞，膜電極出現嚴重水淹。水淹不僅會阻塞氣體(H₂，O₂)的傳輸路徑，造成H₂和/或O₂不能與催化劑的活性位點接觸阻止反應的進行，導致膜電極/燃料電池的性能下降，而且會加速膜電極的老化，縮短膜電極的壽命。

因此，平衡膜電極催化層內，催化層和氣體擴散層間的水含量(尤其是陰極一側)是提高膜電極、燃料電池性能和壽命的關鍵。

目前，用于平衡膜電極催化層內，催化層和氣體擴散層間的水含量的方法主要有兩類，一類是在催化層中加入疏水性物質，如PTFE(聚四氟乙烯)；另一類是設計兩層或多層的催化層結構，每層具有差異性的疏水能力。

對于第一類，美國專利US4876115具有憎水通道的膜電極，其將PTFE和催化劑混合后噴涂到碳紙之上，利用PTFE的強憎水能力提高膜電極的排水性，但這種方法容易造成催化劑被包裹造成催化劑不能發揮作用。中國專利CN101145613公開了具有PTFE/C復合體的低溫甲醇燃料電池，先讓PTFE和C形成復合型載體，再將催化劑和離聚物形成聚合體，最后將兩者結合形成漿料，這種方法雖然可以降低PTFE對催化劑的包裹，并形成具有排水能力的通道，但是卻忽略了離聚物對催化劑的毒化(離聚物，如全氟磺酸樹脂中的磺酸基團容易吸附到催化的表面降低催化劑活性)。

中國專利CN101071874公開了一種以聚合物超短纖維作為疏水劑的燃料電池，將疏水物質添加到催化層中達到增強催化層排水能力的目的。中國專利CN 101800321A公布的親疏水可調的質子交換膜燃料電池用膜電極的制備方法，將疏水劑加入到催化劑漿料中，并通過熱壓轉印的方法制得膜電極，通過調節疏水性添加劑和催化劑的比例達到調節膜電極的親疏水性。這些方法雖然在一定程度上解決了催化層內部的淹水問題，但很難平衡質子傳輸所必要的水；添加的物質既不是電子導體，也不是質子導體，容易導致催化層的電阻上升；且這些物質本身的透氧能力很弱，不能起到促進氧氣傳輸的目的；同時，針對CCM法制備的膜電極而言，這種方法也不能很好解決催化層和氣體擴散層界面之間的水淹問題。