[发明专利]质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法和质子交换膜燃料电池膜电极成型夹具

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法和质子交换膜燃料电池膜电极成型夹具。 

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的发电装置，于1839年由Gove首次提出。相对于传统的能量转换系统，燃料电池具有诸多优点：首先，其不受卡诺循环的限制，能量转换效率高；其次，产物通常为水，对环境污染小。燃料电池的高效和无污染的特性使其近年来受到越来越多的关注。 

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一类重要的燃料电池，它是将甲醇、氢气、甲酸等燃料通过一种由离子交换膜和催化剂电极组成的膜电极进行发电的装置。其中氢氧质子交换膜燃料电池的工作原理如下：1)、氢气通过管道或导气板到达阳极；2)、在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，电子在外电路形成电流；3)、在电池的另一端，氧气通过管道或者导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水。反应式如下： 

阳极反应：H₂→2H⁺+2e 

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O 

总反应为：H₂+1/2O₂→H₂O 

质子交换膜燃料电池具有诸多优点，具体如：高效转化、低碳环保等，近年来发展迅速。 

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心组件之一，膜电极体包括依次设置的：阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴 极扩散层。现有的膜电极通常按照如下方法制备：首先分别在阳极扩散层和阴极扩散层表面制备阳极催化剂层和阴极催化剂层，得到催化剂阳极层和催化剂阴极层；然后将离子交换膜置于催化剂阳极层和催化剂阴极层之间，并使用热压方法将其压为一体，得到膜电极复合体。在此基础之上，为了改善燃料电池的电化学性能，现有技术从膜电极的结构、催化剂和离子交换膜的改进等方面入手提供了多种改进方法，具体如： 

申请号为200710144386.3的中国专利公开了一种自呼吸式燃料电池膜电极，其是将多孔金属网状集流体和阴极催化层制成一体后将各组件热压成型。采用这种内集流的方式来降低了自呼吸式燃料电池膜电极的电阻，提高了膜电极的性能。 

申请号为内01801938.2的中国专利公开了一种膜电极接合体的制造方法，该专利通过在基材薄膜上涂布第一催化层，在其上涂布将离子交换树脂溶解或分散于液体中而形成的涂布液，形成离子交换膜，然后，在其上涂布含催化剂的涂布液，形成第二催化剂层，最后将基材薄膜剥离，得到膜电极集合体。采用该方法，可以高效率且连续地制造催化剂层厚度均匀的高性能的固体高分子型燃料电池用的膜电极。 

申请号为99815574.8的中国专利公开了一种用于燃料电池的电极-膜组合，其通过电子束物理蒸汽沉积法在膜上沉积约3埃到475埃厚度的贵金属催化剂改进了功率输出。 

申请号为200710001423.5的中国专利中提供了一种催化剂涂布膜(CCM)，该催化剂涂布膜包括阳极催化剂层，其中包含由非担载催化剂构成的第一催化剂层和由担载催化剂构成的第二催化剂层；阴极催化剂层，则是由担载催化剂构成。这种方法可降低电极和电解质膜之间的界面电阻，降低催化剂的使用量，以及降低电极层中的厚度偏差。采用该MEA的燃料电池具有担载催化剂的最大活性，并改善了电池性能如输出电压、输出密度、效率等。 

申请号为200680017344.7的中国专利公开了一种膜电极接合体， 其是在多孔基材中填充高分子电解质，构成电解质膜，在其两侧配置催化剂电极。同时，在催化剂层与电解质膜接触的一面中，高分子电解质的含量多于催化剂层的其它部分。 

200810046956.X的中国专利公开了一种基于多孔基体的燃料电池催化剂层、膜电极及其制备方法，其将多孔质子交换膜浸渍催化剂料浆后干燥热压成催化层，再与表面涂有微孔层或水管理层的碳纸热压，然后再与质子交换膜热压制得膜电极。