[发明专利]质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极，在质子交换膜的一面涂覆有阴极催化剂层，在质子交换膜的另一面依次涂覆有阳极内催化剂层、阳极外催化剂层，在阴极催化剂层、阳极外催化剂层的外侧分别热压有气体扩散层，所述阳极内催化剂层包括催化剂和质子交换树脂，质子交换树脂的质量为催化剂质量的30～50％；所述阳极外催化剂层包括催化剂、质子交换树脂和PTFE，质子交换树脂的质量为催化剂质量的5～15％，PTFE的质量为催化剂质量的3～6％。还提供了质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。本发明膜电极，稳定性能良好，制备方法简单。

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效环保的发电方式，其能效转化率超过60％，远高于内燃机30％～35％的能源转换效率；此外燃料电池使用氢气作为燃料，燃料可再生且来源广，而且排放物仅为水，这对于国家能源战略和环境保护具有特别重要的意义。作为燃料电池的核心部件，膜电极(MEA)直接影响燃料电池的输出性能和使用寿命；而且，膜电极构成了燃料电池成本的主要部分，目前占到69％左右。因此，如何提高膜电极的性能并降低其生产成本，对PEMFC的发展和推广使用至关重要。

当前MEA基本使用质子交换膜(PEM)作为固体电解质，而PEM的含水量是影响PEM电导率的主要因素。因此，为了使PEMFC具有良好的工作性能，必须保持PEM中的含水量。通常的做法是对反应气体增湿，即外增湿，但这需要增加额外的增湿器，容易造成系统水淹，增加了燃料电池系统的制造成本和水热管理难度。而实际上，在PEMFC工作过程中，MEA阴极也会产生大量的反应水，并且可通过逆扩散传递到MEA阳极一侧，而催化剂层中添加的质子交换树脂如Nafion分子本身也具有亲水性，因此可利用MEA本身工作产生的水来进行增湿，即自增湿。但一方面水由MEA阴极扩散至阳极阻力比较大，过程很缓慢；另一方面由于质子交换树脂本身电阻比较大，为了降低催化剂层电阻，质子交换树脂含量受到限制(一般低于催化剂质量的30％)，导致阳极催化剂层保湿性能不佳，在氢气的吹扫下很容易处于干燥失水状态。因此，采用传统的方法制备的膜电极，在没有外增湿的前提下，远无法满足燃料电池正常工作需要。

目前，提高MEA自增湿能力的措施主要包括如下几种：(1)使用自增湿PEM，这类膜可以通过在膜中添加含Pt催化剂颗粒，从而在膜结构内部产生反应水，以达到自增湿的目的，或者添加SiO₂等亲水性颗粒，以增强PEM本身的保湿性；(2)采用自增湿阳极催化剂层，即在催化剂层中添加亲水性无机颗粒或者亲水性高分子，以达到膜电极保湿的目的；(3)也可在MEA阳极一侧引入保湿层来达到自增湿的效果。但是，从目前的发展情况来看，这些措施都存在一定的缺陷，无法达到理想的自增湿效果。如在MEA组件中添加的无机颗粒在长时间工作后，容易发生团聚或者损失，从而降低燃料电池的性能稳定性和使用寿命；高分子添加物会增加膜电极的电阻，同时高分子的相容性问题也会增加膜电极的制备工艺难度。至于额外添加的增湿层，其在长时间工作后也会发生脱落或者损坏。此外，传统MEA阳极催化剂一般为单层结构，电池在高电流密度工作条件下反应水生成量会急剧的上升，阳极催化剂层如果没有较好的水管理措施，也很容易发生水淹现象，尤其是在进行了增湿改性以后。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种具有梯度化阳极催化剂层的质子交换膜燃料电池膜电极，具有较好的自增湿效果、阳极水管理能力和气体扩散能力。同时还提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。

本发明通过以下方案实现：

一种质子交换膜燃料电池膜电极，在质子交换膜的一面涂覆有阴极催化剂层，在质子交换膜的另一面依次涂覆有阳极内催化剂层、阳极外催化剂层，在阴极催化剂层、阳极外催化剂层的外侧分别热压有气体扩散层，所述阳极内催化剂层包括催化剂和质子交换树脂，质子交换树脂的质量为催化剂质量的30～50％；所述阳极外催化剂层包括催化剂、质子交换树脂和PTFE，质子交换树脂的质量为催化剂质量的5～15％，PTFE的质量为催化剂质量的3～6％。