[发明专利]一种一体化燃料电池膜电极的制作方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种一体化燃料电池膜电极的制作方法。

背景技术

燃料电池是一种新型的清洁能源，能够直接将燃料的化学能高效和清洁地转化为电能的装置，在交通、电子、航空、国防等领域具有广泛的应用前景。燃料电池具有能量密度高、环境友好、操作简便、安全可靠等优点。

膜电极是燃料电池的核心部件，是电化学反应发生的场所，也是决定燃料电池性能的关键因素。常用的膜电极由3部分组成，居中的质子交换膜及分别对称于质子交换膜的阴、阳极催化层。膜电极的性能与其结构有着密切的关系，利用先进制作方法及工艺改善膜电极结构对提高燃料电池性能具有重要的意义。目前膜电极的结构是由相对独立的质子交换膜及阴、阳极催化层组成。其制作过程通常是先利用商业化生产的Nafion质子交换膜，然后把阴、阳极催化剂通过直接刮涂、喷涂、转压或溅射的方法成型到质子交换膜两侧形成催化层，并经过后续离子交换等工艺制作成含有两侧催化层的膜电极。现有膜电极制作过程是把质子交换膜及阴阳极催化层各功能层看作成了独立单元，各功能层之间具有明显界面。膜电极在工作的过程中除了电化学反应外，内部还在进行着一定的流体和机械运动，主要包括CO₂和H₂O排出流动，以及Nafion膜在吸水和失水时的膨胀和收缩。所以这种由独立单元组合加工制作的膜电极经过长时间工作及受力，容易导致各功能层界面分层错位，阻碍膜电极内部反应物及生成物的传输，增大燃料电池的欧姆阻抗及传质阻抗，影响燃料电池的输出性能。而且，目前大部分利用喷涂、转压或溅射方法制作成的膜电极各功能层内部整体结构单一，内部结构可控性差，也不能满足高性能膜电极对其内部材料和结构有序变化并构成立体空间网络传输体系的要求。再而，现有制作膜电极方法需要多种工艺结合，例如在转压之前需要涂敷工艺，其操作步骤繁多，需要多种设备结合，增加了制作过程中的不稳定性，也增加了制作膜电极的时间和成本。

申请人为比亚迪股份有限公司的专利，专利号ZL 200410052120.2中公开了一种具有一体化结构的燃料电池膜电极的制备方法，该方法是以高分子树脂作为密封材料，将其溶解后，浇铸在碳纸周边预留的待处理密封区域，在碳纸中间部位涂覆扩散层，然后在质子交换膜的对应位置两面分别涂覆上阴极、阳极催化层，最后，通过热压制成一体化结构的多层膜结构。所述专利公开的制作一体化膜电极的方法，只是在外部结构上的改进，利用密封框以保证电池的绝缘性和气体阻隔性，其缺点是内部膜电极依然利用传统的涂覆、热压的方法制得，还是把各功能层作为独立单元进行整合制作，并没有改变膜电极内部结构，依然存在传统膜电极内部容易分层及结构单一的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服上述技术的不足之处，提供一种一体化燃料电池膜电极成型方法，利用电流体动力雾化技术，沉积精度高(纳米级)、可控性好、材料适应性广的优势，通过在纳米尺度层层累加沉积膜电极各功能层，并在沉积过程中改变结构和材料成分，可使膜电极内部结构及材料有序变化。所述方法实现了具有整体一体化、内部各功能层结构有序变化的膜电极的加工成型。

本发明采用的技术方案是：一种一体化燃料电池膜电极的制作方法，其特征是，首先制作具有微孔层的阴极扩散层1及阳极扩散层2，然后制备阴极催化层3、阴极催化-质子交换过渡层4、质子交换层5、阳极催化-质子交换过渡层6和阳极催化层7的功能层悬浮液或溶液，最后，以阴极扩散层1或阳极扩散层2为基底，利用电流体动力雾化方法将各功能层悬浮液或溶液层层沉积累加，完成一体化膜电极8的沉积成型；具体工艺步骤如下：

第一步具有微孔层的阴极、阳极扩散层1、2的制备

具有微孔层的阴极扩散层1的制备：将一定质量的碳粉与乙醇混合，磁力搅拌5～10分钟，然后加入一定量PTFE溶液和Nafion溶液，再超声分散1～2小时，形成碳悬浮溶液，其中碳粉与乙醇、PTFE溶液、Nafion溶液的质量比例为1∶30～50∶1～7∶4～10；将碳悬浮液均匀的涂在碳纸上，使碳担载量为2～5mg/cm²，然后，分别在250℃加热30分钟和在350℃加热1小时，两次干燥处理，形成具有微孔层的阴极扩散层1；