[发明专利]质子交换膜燃料电池的具有渐进结构的电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池的电极组件及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池的核心组件即膜电极(MEA)，它由质子交换膜和阴、阳电极组成，阴、阳电极由简称为电极，电极由催化层、整平层组成。这些组件一般被分步制备，然后在高温下压合到一起。根据催化层结构的不同，电极可分为憎水电极和亲水电极。

憎水电极是目前应用最广泛的电极。现有技术中，憎水电极制备过程为：将Pt/C催化剂与PTFE混合后，喷涂或涂布到经过处理的碳纸表面，经热处理后，再浸渍上Nafion溶液，烘干后制得。这种电极的不足在于：在电极表面浸渍的Nafion溶液虽然可以扩展到三相反应区，但浸渍的Nafion溶液很难充分深入到催化层内部与催化剂充分接触(一般只能渗入到催化层内10μm处)，造成不与Nafion接触的催化剂失效，降低了催化剂利用率。

亲水电极以Wilson发明的薄层亲水电极为代表，其技术记载在美国专利US005211984A中。制备过程为：将催化剂与Nafion溶液直接混合后，喷涂或涂布到经过处理的碳纸表面，经热处理后制得。这种亲水电极，使催化剂和Nafion充分接触，在一定的Nafion含量下，催化剂的利用率与传统的憎水电极相比有了明显提高，并且催化层与膜的接触面积增大了。其不足在于；由于催化层中没有憎水剂，没有独立的气体通道，O₂只能在Nafion和水相中扩散传输，阻力较大。因此，亲水电极的催化层的厚度一般控制在10μm以下，以减小反应气体的传递阻力。同时，由于催化层中Nafion和催化剂具有很强的亲水性，当电极在高电流密度下运行时，随着反应产物水的增加，排水产生困难，容易造成水淹电极，使电极性能下降。

欧洲专利EP1318559 A2描述了一种膜电极组件(MEA)的制作方法。该膜电极组件(MEA)由聚合物电解质膜和阴极、阳极构成。电极催化层介于膜和气体扩散层之间。阴极或阳极催化层至少包含两层子层。催化层至少有一层子层直接实施到膜上，剩余的子层实施到相应的气体扩散层上。电极的两个子层均为亲水催化层。该专利技术也没有解决传统亲水电极存在的不足。

发明内容

本发明的目的是针对现有电极技术存在的催化剂利用率不高，电极中气体传递阻力较大等问题，提供一种具有渐进结构的质子交换膜燃料电池电极及其制作方法。通过具有渐进结构特点的电极来提高催化剂利用率，改善气体在电极中的传递特性以及电极中水管理特性等，从而提高电极性能。本发明的技术方案是；质子交换膜燃料电池的具有渐进结构的电极及其制备方法，电极由支撑层、整平层和催化层组成，其特征在于所述的支撑层为强憎水大孔层，所述的电极整平层为弱憎水中孔层，电极催化层由弱憎水中孔催化层和亲水微孔催化层两层结构构成。强憎水大孔层即支撑层，弱憎水中孔层在强憎水大孔层上，弱憎水中孔催化层在弱憎水中孔层上，亲水微孔催化层在弱憎水中孔催化层上。

本发明所述的质子交换膜燃料电池的具有渐进结构的电极及其制备方法，其特征在于所述的电极的制备方法包括整平层制备方法和催化层制备方法，其中，整平层制备方法是：

1)强憎水大孔层制备：支撑层为大孔碳纸或碳布，将1％～3％(重量百分比)的聚四氟乙烯(PTFE)乳液置于容器中，将碳纸或碳布浸渍在装有聚四氟乙烯(PTFE)乳液的容器中，至碳纸或碳布中聚四氟乙烯的增加量达到占总质量的5％～10％(重量百分比)，取出后在培烧炉内经340℃焙烧20～60分钟，冷却后取出；

2)弱憎水中孔层制备：将适量碳粉、与碳粉比例为3∶7～7∶3(干重重量比)的聚四氟乙烯乳液，添加量为碳粉和PTFE总量的50％～100％的造孔剂，以及适量异丙醇在容器内混合均匀，制成弱憎水中孔浆料，将弱憎水中孔浆料均匀涂于经过步骤1处理的碳纸或碳布上，在60℃～120℃环境下烘干后，取出，再重复以上操作，多次涂敷，每次涂敷后，都在60℃～120℃环境下烘干，直至碳粉上量达到0.3～1.0mg/cm²后，放入焙烧炉内在340℃下焙烧20-60分钟，冷却后取出；

催化层制备方法是：