[发明专利]一种燃料电池用膜-膜电极的集成化制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及燃料电池用催化剂涂层膜电极的制备方法，特别涉及可以将质子交换膜的制备与催化剂涂层膜电极的制备集成在一起的方法。

背景技术

膜电极组件(Membrane-electrodes assembly，MEA)主要由阴极电极、阳极电极和质子交换膜组成，其中阴、阳电极分别由气体扩散层(GDL)和催化层(CL)组成。MEA为燃料电池提供了完成化学能向电能转换的场所，因此它承担着燃料和氧化剂的供应、电子和水的导出等任务。为了提高电化学反应效率、降低催化剂用量，人们开发出了多种结构的膜电极组件，它们的主要区别在于电极的结构，大体可分为较厚的气体扩散电极(GDE)和薄的亲水电极(CCM)。传统的MEA是先在多孔的气体扩散层上制备催化层，形成气体扩散电极(GDE)，然后将两片电极与质子交换膜热压到一起形成MEA。这种MEA的催化层较厚，要求催化剂担量较高，催化层与膜的结合性差。，为了提高电池效率、降低催化剂用量，Wilson等人(“Thin film catalyst layers for polymerelectrolyte fuel cell electrode”by M.S.Wilson and S.Gottesfeld，Journal of AppliedElectrochemistry 1992，22：1-7，“High performance catalyzed membranes ofultra-low PT loadings”by M.S.Wilson and S.Gottesfeld，Journal of Electrochem.Soc.，1992，139(2)：L28-L30)提出了在质子交换膜上制备催化层，然后再将它与气体扩散层复合在一起形成MEA，从制备工艺角度将它称为催化剂涂层膜电极(Catalyst coated membrane，CCM)，从电极结构特点来讲，它属于薄的亲水电极。

薄层亲水电极中主要含有两种成分：一是催化剂，如Pt/C，它起到提供电化学反应活性和传导电子的作用，另一种是离聚物(ionomer)，如全氟磺酸树脂，由它构成的网络起到传导质子的作用。同时为了改善催化剂的分散和优化电极结构，在用于制备电极的电极浆料中还可以根据需要加入分散剂、粘合剂、造孔剂或憎水剂等。如US5,330,860中采用的电极浆料含有催化剂(Pt/C)、离聚物(全氟磺酸聚合物)和分散剂(乙二醇单甲醚)。US5,211,984中采用乙二醇或NaOH调节浆料粘度。用这些浆料制得的致密催化层为完全亲水的，具有连续的质子传递通道，并且它与质子交换膜也有很好的结合，非常有利于质子和水的传递。也正是因为如此，为了保证有足够的气体(燃料和氧化剂)能够达到催化剂表面实现电化学反应，要求这种亲水催化层必须非常薄，因此，保证催化剂颗粒的均匀分散非常重要。

现有的CCM的制备技术主要分为直接法和间接法。直接法是将催化剂浆料分散在质子交换膜上形成催化剂涂层膜电极，如CN200,410,012,745.6公开的方法是将催化剂、质子交换树脂、疏水剂、分散剂及表面活性剂混合制备成电极粉料，采用激光打印技术和静电复印技术将其分散到质子交换膜上形成催化剂涂层膜电极。US6,074,692公开的方法是将质子交换膜先进行预溶涨，并用设备固定以限制收缩，然后采用喷涂的方法将电极浆料分散到质子交换膜的两面，再经干燥制成催化剂涂层膜电极。US7,041,191公开的方法是将质子交换膜固定在基板上，再将固定有膜的基板置于丝网印刷机上，把电极浆料网印到膜的两面，经过干燥、热压形成膜电极。US7,285,307公开的方法是将质子交换膜复合在塑料背膜上，采用丝网印刷或模版印刷的方法将电极浆料分散在质子交换膜的一面，电极浆料完全干燥后揭去背膜，再将电极浆料采用如前的方法分散到质子交换膜的另一面。