[发明专利]一种氢燃料电池膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢燃料电池膜电极的制备方法。

背景技术

氢燃料电池是以氢气为燃料，将化学能直接转换为电能的发电装置，具有快速启动、可室温运行、结构简单、理论比能量密度高、环境友好等特点，特别适合用作便携式电源、电动机车动力电源盒分散电站等，具有广阔的应用前景。

膜电极是氢燃料电池的核心组件，其性能好坏直接影响电池的性能和稳定性。膜电极通常由质子交换膜和分别在该质子交换膜两侧的催化剂层和气体扩散层组成，催化剂层是氢燃料电池发生电化学催化反应的重要场所，因此，其催化效率很大程度上决定了燃料电池的性能。提高催化剂层催化效率的关键是要增加纳米贵金属催化剂颗粒表面与反应气体、质子及电子的三相反应界面。具体地，氢气反应气体通过气体通道到达贵金属催化剂颗粒表面，经催化反应，产生质子和电子，产生的质子需要通过催化剂层中的质子导体网络构建的质子通道向质子交换膜方向传递，而电子则由催化剂载体构建的导电网络导向气体扩散层，如果有一个通道不通畅，则燃料电池电化学反应就会受阻。然而，常规的膜电极组件制备很难在催化剂与质子交换膜之间形成良好的三相界面，这就降低了催化剂的利用率，加大了催化剂的用量，降低了电池的性能。为了提高燃料电池膜电极的性能，需提高催化剂的利用率。同时由于质子交换膜容易损坏、不易操作等特点，使得膜电极的制备工艺变得复杂，降低了膜电极的连续化生产，提高了工艺制备成本。

传统的膜电极制备方法主要是将催化剂转移到扩散层上形成催化层，然后通过热压工艺将扩散层、催化层、质子交换膜经过高温高压压在一起，制备成膜电极。但此种制备催化层的方法，催化剂物料难免渗漏到扩散层的孔隙中，既影响扩散层中的孔结构，又降低了催化剂的利用率，很难降低燃料电池成本。同时采用此种将扩散层、催化层和质子交换膜热压一起的方法，提高加工难度，电池的成品率低，产品单一。

随着技术的发展，20世纪90年代以后，人们尝试直接把催化层作用到质子交换膜上，即制备质子交换膜核心组件CCM( catalyst coated membrane)，这种方法可以提高催化剂的利用率，进一步降低Pt的担载量。催化剂颗粒通过Nafion离子与膜直接接触，从而提高了质子传导性，而且CCM技术保持了原有的空隙结构，使气体扩散更加容易，这样制得的MEA性能比使用传统方法得到的MEA有所提高。

美国专利US5211984、US6847518公开了一种转印法制备膜电极，中国专利CN1560949、CN1862855也有类似方法，所述方法先将催化剂浆液涂到转移介质上，干燥后把两片分别涂有阳极、阴极催化剂的转移介质与一片质子交换膜热压，剥离转移介质后得到膜电极集合体。此方法所制得的催化层较薄，降低催化剂的用量，催化层与质子交换膜有较好的接触，减少了溶剂对质子交换膜的影响，组装的单电池具有较高的功率密度，但其不足之处在于温度和压力对膜以及对催化剂在膜上附着强度有影响且难以控制，而且在热压时，膜和转移介质接触的边缘由于受力不均匀，常常会被破坏。另外，在转移过程中，由于热压使得部分催化剂粘在转移介质上，使得催化剂的利用率下降，同时，转移介质经常由于热压发生变形而不能重复利用，增加制备成本，整个工艺过程复杂。

中国专利CN1838456N采用直接喷涂法制备燃料电池膜电极，采用固定框固定质子交换膜，此质子交换膜经过预处理，然后用红外灯以及汞灯促进催化剂浆料的溶剂在喷涂过程中挥发，浆液分别喷涂在膜的两侧，用真空处理，固化催化层，但仍不能有效解决质子交换膜的溶胀，而且低温真空处理后的催化层较容易与质子交换膜脱离，降低电极的使用寿命。

中国专利CN200610035275.4公开了一种直接喷涂制备燃料电池膜电极的方法，所述方法包括质子交换膜预处理后，固定于一个膜固定装置中，然后在光照下将催化剂浆液直接喷涂在质子交换膜的两面，经过低温真空干燥而制得。此方法制得的膜电极解决了质子交换膜溶胀问题，但由于要对质子交换膜预处理且喷涂后要经过低温真空干燥处理，存在工艺复杂，不易操作、制备周期长的不足。

中国专利CN200810024885.3提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备工艺，所述方法为采用胶带或者橡胶板将质子交换膜四边固定，在较高温度下固定质子交换膜，解决了质子交换膜的溶胀问题。在膜电极的喷涂过程中，通过调节催化剂浆液的挥发速度，质子交换膜的加热温度，控制质子交换膜的溶胀，使催化剂均匀喷涂到膜上，改进制备过程中质子交换膜溶胀、变皱、催化剂用量过高等不足，但不足之处膜固定膜装置过于依赖人工操作，需用溶剂使得质子交换膜溶胀才能与固定板脱缚，存在催化层对位不准，工艺复杂且生产效率低等不足。