[发明专利]一种基于超薄膜直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种直接甲醇燃料电池MEA的制备方法，此MEA采用超薄的全副磺酸膜或者PTFE基的超薄膜，为了降低因采用薄膜而引起的高甲醇渗透率，我们对MEA结构进行了优化。首先对膜表面进行整平，其次采用多次喷涂工艺获得平整的催化层，最后阳极采用扩散层担载催化剂(GDE)和膜表面担载催化剂(CCM)结构，阴极采用CCM结构，对CCM和GDE的催化剂载量优化获得即可保证电池性能又可降低甲醇渗透的MEA结构，将此MEA组装单池，由于采用薄膜大大降低接触电阻，电池性能明显优于厚膜组装的电池。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池具有高效、零污染等优点，是新能源汽车和固定电站的首选替代能源，受到国内外研究人员广泛关注。膜电极作为燃料电池的关键部件，其性能、寿命和成本直接决定燃料电池技术的推广和商业应用。为了提高MEA的性能，研究人员做了大量深入研究。众所周知，影响MEA性能的主要科学问题是三个极化损失：(1)活化极化损失，主要归结于催化剂活性和催化层结构；(2)欧姆极化损失，主要归结于膜内阻、MEA结构和关键材料电导率；(3)传质极化损失，主归结于MEA结构和流场结构。一般欧姆极化损失直接影响电池放电性能，特别是工作点的放电性能。为了降低欧姆极化损失，研究人员优化MEA关键材料，扩散层、催化剂均是导电性很好的材料，只有电解质膜导电性差，因此电解质膜是影响欧姆极化损失的关键。近年来，为了进一步降低欧姆极化损失，研究开发出一些列超薄膜用于燃料电池，膜厚度降低至10-25微米左右。膜厚度大大降低后，内阻明星降低，但透氢和透液明显增加，透氢影响氢氧燃料电池性能，而透液则在直接甲醇燃料电池中是致命的。

发明内容

本发明采用超薄的全副磺酸膜或者PTFE基的超薄膜(25微米左右)，制备直接甲醇燃料电池MEA，通过结构优化获得即可保证电池性能又可降低甲醇渗透的MEA结构，将此MEA组装单池，由于采用薄膜大大降低接触电阻，电池性能明显优于厚膜组装的电池。本发明采用如下技术方案：

本发明一方面提供一种直接甲醇燃料电池膜电极(MEA)，所述膜电极依次包括阳极扩散层担载催化层(阳极GDE)、膜担载催化层(CCM)和阴极扩散层；所述阳极GDE依次包括阳极扩散层和阳极催化剂层Ⅰ；所述膜担载催化层依次包括阳极催化剂层Ⅱ、膜和阴极催化剂层；所述阴极催化层靠近阴极扩散层，所述阳极催化剂层Ⅱ靠近阳极催化剂层Ⅰ，所述阳极催化剂层Ⅰ和阳极催化剂层Ⅱ包含阳极催化剂；所述阴极催化剂层包含阴极催化剂；所述阳极催化层Ⅰ和阳极催化剂层Ⅱ贵金属载量为1-10mg cm^-2，所述阴极催化剂层的贵金属载量为0.5-5mg cm^-2；其中CCM和阳极GDE的厚度由担载量决定，CCM的厚度比例为总厚度的0-100％，优选30-60％；催化层的厚度为2-50μm，优选10-30μm；所述膜电极还包括位于基膜两侧的整平层，所述整平层为全氟磺酸树脂(Nafion)乳液或催化剂浆液形成的薄层；所述整平层的厚度为0-20μm，优选4-10μm，厚度由整平层担载量决定，担载量提高厚度提高；所述阳极催化剂层Ⅰ和阳极扩散层形成GDE结构，阳极催化层Ⅱ和膜形成阳极CCM结构，阴极催化层与膜形成阴极CCM结构。

基于以上技术方案，优选的，所述整平层采用全氟磺酸(Nafion)乳液整平，所述Nafion乳液中Nafion树脂含量为0.01-5wt％，优选为0.05-2wt％，所述整平层中Nafion树脂的量为0-20mg cm^-2，优选为4-12mg cm^-2。所述整平层的含全氟磺酸(Nafion)乳液，Nafion乳液中Nafion树脂含量为0.01-5wt％，优选为0.05-2wt％，正平时膜两侧的涂覆量为0-20mg cm^-2全氟磺酸，优选，4-12mg cm^-2(厚度4-10μm)。所述整平层还可以为阴极和阳极催化层，通过在薄膜两侧涂覆催化剂浆液得到整平层。