[发明专利]一种高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。该方法是通过降低固体电解质的厚度，使用高含量催化剂降低催化剂层厚度，以及在阴极催化层及/或气体扩散层中引入纳米碳管或碳纤维改进催化剂层及扩散层的传质，使得膜电极的功率密度得到了大幅度的提高。本发明制备方法步骤简单、实用易行、成本低廉；可在提高膜电极性能的同时减小膜电极的厚度，有利于高功率密度燃料电池、电堆及系统的制备。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及阴极催化层或阴极气体扩散层含有亲水性碳纳米管或氮化碳纳米管的高功率密度膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种新型绿色能源技术，它具有能量转化效率高、低温启动快速，无污染等优点，在汽车动力和小型便携式发电设备上具有广泛的应用前景。有关PEMFC的研究已经成为绿色能源等领域的热点课题，许多发达国家都在竞相发展这一技术。

质子交换膜燃料电池膜电极主要由阳/阴极催化层、阳/阴极气体扩散层和Nafion质子交换膜组成。众所周知，膜电极中催化层的微观结构是由涂覆在质子交换膜上的浆料所决定，而浆料的组成及分散程度对催化剂利用率、质子的迁移速度和反应物及产物的扩散有很大的影响。目前，常见的催化层的制备方法为：将催化剂、粘结剂和分散剂混合配置成浆液，然后以涂布、转印或喷涂的方法将该浆液分布在质子交换膜的两侧形成催化层。常规方法制备的阴极催化层不利于催化剂的利用、反应物和产物的传输，从而降低了电池的性能。气体扩散层中反应物和产物的扩散传输影响着电池性能，常见的扩散层的制备方法为：将碳粉和粘结剂分散在乙醇溶剂中，超声分散配置成浆液，然后将该浆液通过刮涂或喷涂方法担载在碳纸或碳布的一侧形成扩散层。常规方法制备的扩散层不利于反应物和产物的扩散从而堵塞孔道，进而降低电池性能。催化层和气体扩散层都会和反应物和产物进行接触，其结构和性能对电池的输出性能和功率密度都有很大的影响。

中国专利ZL201410568683.0公开了“一种氢燃料电池膜电极的制备方法”，该专利提出在常规的催化层材料中加入造孔剂（碳酸氢铵、草酸铵、氯化钠等），造孔剂在加热分解过程中形成一定的孔，提高了膜电极的孔径分布，减少气体传质阻力。

中国专利ZL201310333544.5公开了“用于燃料电池的膜电极及其制备方法”，该专利申请在常规的催化剂浆液中增加了增稠剂（丙三醇、乙二醇、乙酸丁酯等）和添加剂（碳酸氢铵、醋酸铵、二甲基硅油等），其中增稠剂具有较高的介电常数和粘度，添加剂中的碳酸氢铵和醋酸铵为造孔剂，同样可以增加催化层的孔隙率，改善阴极催化层在高电流密度下反应物和产物的传输。但是该方法中引入的造孔剂在热解过程中产生有毒气体，且造孔剂热解不完全会滞留在催化层中，从而导致催化层的接触电阻增大，降低电池性能。

中国专利ZL200710019376.7公开了“燃料电池气体扩散层的制备方法”，该专利提出了将碳纸或碳布放入由碳黑粉（乙炔黑或活性碳黑）、蒸馏水、PTFE或PVDF乳液、分散剂（XH-1、AEO-9、FC4430、Tween-60或Triton X-100）组成的浆液中浸渍0.5-15分钟，取出烘干，反复以上步骤直至得到所需的载有碳黑和PTFE或PVDF的碳纸或碳布。该方法制备的气体扩散层结构较稳定，适合燃料电池的规模化生产。但该方法中浆液易分散在气体扩散层基底的两侧及内侧，不利于控制产品品质，且制备的微孔层与基底接触不牢固，会带来电池内阻增大，电池性能降低的缺点。

中国专利ZL201210197913.8公开了“基于3维质子导体的有序化单电极和膜电极及制备方法”，该专利提出一种有序化膜电极，以具有纳米纤维阵列的3维质子导体为基底，在质子交换膜的两侧生长质子导体纳米纤维阵列，并在阵列上均匀镀一层有活性金属的催化层。用该方法制备的膜电极会增加膜与催化层的接触面积，有利于反应物和产物的扩散，加快质子传输。但该方法制备的膜电极在组装压合过程中有序化结构会由于压力的作用遭到破坏，组装后的燃料电池失去有序化结构，并不利于反应物和产物的扩散，同时降低催化剂的利用效率。