[发明专利]一种含有三维疏水阴极催化层的膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种含有三维疏水阴极催化层的膜电极的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种直接将化学能转化为电能的绿色能源，它具有转化效率高、低温下快速启动、无污染等优点，在便携式电子设备和动力汽车上具有广泛的应用前景。膜电极（MEA）是质子交换膜燃料电池的核心部件，由阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层组成，膜电极的性能直接决定着燃料电池的性能，制备高性能高功率密度的膜电极对于燃料电池的商业化进展具有重要意义。

由于氧气的还原比氢气的氧化要困难得多，加上水在阴极生成和排出，在阴极上同时存在气体和水的扩散，以及水的排出。因此阴极催化层的结构和性能对于燃料电池的性能具有十分重要的影响。

膜电极催化层是发生化学反应的场所，催化剂的利用率和反应气体在催化层中的扩散对膜电极的性能有很大的影响。如果催化剂不能够完全被利用，那么就会导致催化剂的浪费，难以使膜电极的性能得到提升。同样反应过程中产生的电子不能及时进行传导，以及反应气体不能够及时扩散至催化层中与催化剂反应，也会限制反应的进行。提高催化层中催化剂的利用率、提高催化层中电子的传导能力和促进反应气体在催化层中的扩散是很有意义的研究工作。另外膜电极阴极催化层中反应生成水，如果产生的水没有及时排出，就会产生水淹现象，导致催化剂活性降低、阴极反应气体扩散受阻，特别是在大电流密度下，从而使膜电极性能大幅度降低。膜电极阴极水管理也是近年来大家研究的热点，以期通过有效的方式改进阴极水管理，防止水淹现象的发生，提高膜电极的性能。

中国专利申请200710125266.9公开了一种“燃料电池膜电极及其制备方法”，该专利中的气体扩散层包括一碳纳米管薄膜结构，该碳纳米管薄膜结构包括至少一个碳纳米管层，且该碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。该碳纳米管薄膜作为微孔层可以形成大量均匀且规则分布的微孔结构，而且具有极大的比表面积，这种结构可以有效均匀地扩散反应气体和燃料。另外该碳纳米管薄膜的电阻率低，可以有效地传导电子。但是该专利申请仅仅涉及在微孔层（扩散层）中添加碳纳米管，而不涉及在催化剂层添加这类物质。

中国专利申请201410358042.2公开了“燃料电池膜电极”，该专利中用到的气体扩散层包括一碳纤维膜，该碳纤维膜包括多个碳纳米管和多个石墨片，该碳纳米管首尾相连且沿同一方向延伸形成一膜状，每一根碳纳米管被多个石墨片包围，且每一石墨片与碳纳米管的外壁之间形成一角度。这种气体扩散层增大了碳纤维膜的比表面积，提高了气体扩散层均匀扩散反应气体的能力，而且碳纤维膜的电阻率较小，提高了气体扩散传导电子的能力，进一步提高了燃料电池膜电极的反应活性等电化学性能。该专利申请也仅仅只涉及在气体扩散层中添加碳纤维，不涉及催化层。

中国专利申请201310353990.2公开了“质子交换膜燃料电池用催化剂、其制备方法及质子交换膜燃料电池”，该专利中用到的催化剂载体为活性炭、碳纳米管和螺旋状碳纳米管中的一种或多种以上，制备出来的催化剂能够形成三维网络状结构，具有连续的反应物/产物传输通道、质子迁移通道和电子传导通道，不仅改善了电子导电性能，也能够改善传质效果，减小各项极化损失。采用使用碳纳米管载体的催化剂来制备催化层，尝尝存在疏水性及孔隙率不可调节的问题。

中国专利申请99112826.5公开了“薄层疏水催化层电极、膜电极三合一组件的制备方法”，该专利提出往阴极催化层中添加用疏水性物质如PTFE处理的碳粉，添加疏水性物质后有利于在电极催化层中形成气体通道，有利于反应气体或产物气体在催化层中的扩散。申请提出的方法能起到较好的效果，但是制备PTFE处理的碳粉比较麻烦，调控催化层的孔隙率也比较困难。

中国专利申请200810228028.5公开了“一种薄层憎水催化层的制备方法”，该专利中将催化剂和憎水剂调制成墨水，然后喷涂到耐热介质上，进行高温焙烧实现憎水化；焙烧后再喷涂质子导体聚合物实现电极立体化。这种方法制备的膜电极具有良好的疏水孔道，避免燃料电池高电流密度区的水淹现象，性能有较大的提高。但是该专利申请只是设计催化层中添加疏水性物质，没有能够很好地提高催化剂的利用率。