[发明专利]一种用于燃料电池膜电极的增强型气体扩散层微孔膜、膜电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于燃料电池膜电极的增强型气体扩散层微孔膜、膜电极及其制备方法，属于燃料电池领域。燃料电池增强型气体扩散层为自支撑微孔膜，微孔膜的制备采用聚四氟乙烯、碳粉混合浆料，通过滚压、拉伸成膜、经焙烧获得，自支撑微孔膜，厚度为30‑50微米，在微孔膜表面涂覆制备催化层，获得微孔膜支撑催化层。增强膜电极由阳极气体扩散层、阳极微孔膜支撑催化层、质子交换膜、阴极微孔膜支撑催化层、阴极气体扩散层构成。通过组合获得增强膜电极。本发明制备的增强型气体扩散层，具有优异的导电性和强度，高导气性和导水性，微孔分布均匀，微孔膜支撑催化层组装膜电极显著提高膜电极强度，加工工艺简单，膜电极性能更优，利于工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域，特别是增强型气体扩散层的制备技术及增强膜电极组装方法。

背景技术

膜电极是燃料电池的核心部件，其由气体扩散层、催化层和质子交换膜构成，并通过热压工艺进行组装。为了提高燃料电池比功率，电解质膜已由约100μm降到10-20μm，这样带了使用过程中机械强度和膜电极加工过程的复杂性两个问题，质子交换膜本身具有溶胀性，这使催化剂涂覆工艺复杂，而且影响膜电极的耐久性。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，基底层通常主要起到支撑作用，微孔层则用于改善基底孔隙结构，降低接触电阻，进行有效的水、气分配。气体扩散层常规方法是将微孔层炭黑颗粒通过固相粘接热压与基底层复合。

发明内容

目前应用较广的燃料电极气体扩散层中，炭黑颗粒通过固相粘接热压与基底层复合形成微孔层，对膜电极机械强度贡献较小，催化剂层在质子交换膜表面制备，膜电极加工过程复杂。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种用于燃料电池膜电极的增强型气体扩散层微孔膜的制备方法具体步骤如下：

(1)将聚四氟乙烯乳液、碳粉按一定质量比在乙醇溶液分散，充分混合均匀后在水浴中加热聚凝，使其成为粘稠状的浆料；

(2)将步骤(1)获得的粘稠状浆料与增塑剂混合，采用滚压技术，并湿法拉伸制备薄膜；

室温晾干后，在240-260度焙烧20-40分钟，在340-360度焙烧20-40分钟，获得燃料电池增强型气体扩散层微孔膜。

本发明提供一种膜电极的制备方法，具特征在于，具有以下工序：

工序(a),在权利要求1得到的微孔膜单侧表面涂覆阳极催化剂或阴极催化剂制备阳极催化层或阴极催化层，获得阳极微孔膜支撑催化层或阴极微孔膜支撑催化层，和

工序(b)，在电解质膜一侧与工序(a)阳极微孔膜支撑的催化层或阴极微孔膜支撑的催化层接合，所述的电解质膜另一侧涂覆催化层；

工序(c)，在微孔膜的外侧面结合支撑层；在电解质膜涂覆催化层的一侧结合气体扩散层。

本发明另外提供一种膜电极的制备方法，具特征在于，具有以下工序：

工序(a),在权利要求1得到的微孔膜单侧表面涂覆阳极催化剂制备阳极催化层，获得阳极微孔膜支撑催化层,和在权利要求1得到的微孔膜单侧表面涂覆阴极催化剂制备阴极催化层，获得阴极微孔膜支撑催化层，和

工序(b)，在电解质膜一侧与工序(a)阳极微孔膜支撑的催化层接合，所述的电解质膜另一侧与所述的阴极微孔膜支撑的催化层接合，和

工序(c)，分别在两个微孔膜的外侧面结合支撑层。

进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)所述碳粉为导电碳黑、导电碳纳米管、石墨烯中的至少一种。

进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)所述粘稠状的浆料原料配比为，碳粉45-55重量份，质量浓度为60％的聚四氟乙烯乳液25-35重量份，无水乙醇15-25重量份。