[发明专利]一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种能量转化装置，它能够将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，且不受热力学卡诺循环的限制，能源利用率高达80％以上。同时燃料电池还具有能量密度大、环境友好、低噪音、安全性强、续航时间长、试用范围广等优点，被广泛用于中小型发电站、便携式通讯电源、家庭式热电联供装置、野外无人区检测电源、民用轿车、航空航天、潜艇的动力电源等方面。

MEA(Membrane Electrode Assembly)又称为膜电极，是燃料电池的心脏，由CCM(催化剂涂层膜)与阴/阳极扩散层三部分组成，扩散层起到水管理、物料的分配、传递电子等作用，CCM是电化学反应的主要场所，涉及反应的发生和生成物的传递及排放等问题，MEA作为燃料电池电化学反应的基本单元，它的设计和制备首先要遵循燃料电池电化学反应的基本原理和特性，并且与燃料电池最终的使用条件、经济效益及制备工艺等相结合来进行综合考虑。不同工艺也将决定了燃料电池的工作性能、使用寿命、配套设施等等一系列至关重要的问题。目前喷涂法制备的膜电极由于其性能优越而被大量使用，王新东，刘桂成等人在专利CN103000912A中采用一种温度场来控制超声喷涂过程浆液中溶剂的挥发，制备的MEA用于直接甲醇燃料电池；Jay S.Hulett等人在US6074692A中也采用喷涂法将所述浆液喷涂到由夹板牵引的膜上。但是喷涂法的缺点是性能衰减快、催化剂利用率低、制备工艺能耗大等，导致此种工艺适合小批量生产；美国杜邦公司的W·G O'Brien在专利WO0243171A2中采用的苯胺浮雕式凸版印刷用于大规模制备燃料电池膜电极，将所述浆液用网纹辊带动到凸版印刷上，然后调整凸版印刷平台到膜的距离，将催化层印刷到膜上，膜则是由牵引机牵引，实现大规模生产，缺点是工艺复杂、可控性差，受环境影响大，重复性差；美国洛斯阿拉莫斯国家重点实验室的wilson等人在专利US5234777A中提出的薄层电极法制备燃料电池膜电极，采用真空溅射法直接或间接的制备膜电极，所谓直接薄层电极法是指将浆液直接溅射到离子交换膜上，而间接薄层电极法就是所谓的贴花法(Decal)，将浆液溅射到转印介质上然后将介质上的催化剂转印到离子交换膜上即可，由于溅射法的缺点突出，近年来已经被逐步被替代，但是薄层电极的制备思路却一直得到广泛研究；美国Ion Power公司Stephen Andreas Grot等人在其专利US6641862B1中就是采用了薄层电极中的贴花法，同时他们在载有催化剂的贴花表面涂有一层离子交换树脂(Nafion)，连同膜一起热压形成CCM或者不使用膜直接由载有催化剂以及离子交换树脂的转印贴花热压形成CCM；本专利发明人借鉴wilson等人的薄层电极法中的间接薄层电极法，采用丝网印刷工艺制备所述贴花(Decal)，然后连同膜一起热压，撕掉转印介质后形成薄层电极，此种方法的优点在于存在热压过程，热压的优点在于使得催化层与膜的结合更加的牢固减少层离现象提高寿命，当温度达到Nafion离子交换树脂的玻璃化转变温度时处于熔融状态的Nafion离子交换树脂会进入催化剂的孔隙当中增加传质，并且熔融的Nafion离子交换树脂会和Nafion膜键合形成共价键，相比传统喷涂工艺中催化剂简单的堆积模式下形成的范德华力结合力要强，热压后的膜电极基本上不会出现层离现象，同时本专利发明人采用的高Nafion离子交换树脂含量(35％～50％)的浆液用于薄层电极中，根据相似相容原理，将会进一步增加转印法制备的催化层与膜的结合力，此外在相同催化剂载量下薄层电极降低催化层的厚度可以减少质子传输的距离，提高膜电极性能，同时本专利制备的薄层电极也为后续喷涂工艺的浆液担载起到一个过渡的作用。