[发明专利]一种低铂质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及到一种低铂质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。本发明的低铂质子交换膜燃料电池膜电极包括在质子交换膜两侧涂布催化层，所述催化层包括多孔材料及填充在多孔材料内的催化剂，所述催化剂是铂载量为40%‑60%的铂碳催化剂中的一种或多种。本发明膜电极的催化层采用多孔材料及填充在多孔材料内的催化剂制备而成，通过调节膜电极催化层结构来降低铂使用量，采用部分结构有序化工艺，调节膜电极催化层结构来降低铂使用量，降低燃料电池成本。本发明的膜电极相对于传统膜电极，因采用部分有序化结构，能够有效提高催化剂利用率，降低催化剂载量，克服膜电极溶胀问题，易于放大，有利于批量生产。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及到一种低铂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（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）作为一种新型的清洁能源，由于其低污染甚至是无污染性被全球广泛关注。随着燃料电池技术的发展，成本、功率密度与寿命成为其商业化的关键因素。作为燃料电池的关键性材料之一，膜电极的作用举足轻重，其稳定性和价格直接决定了电池的耐久性和成本。

在制备膜电极在过程中，无论是铂合金以及非铂催化剂，其目标都是在不降低膜电极性能及寿命的前提下，极大的降低铂使用量，从而降低膜电极成本。现有在技术主要是通过提高催化剂性能或使用非铂催化剂来降低铂载量，现阶段铂碳催化剂和铂合金催化剂性能很难得到提升，非铂催化剂还处于研发阶段，量产之日遥遥无期。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种低铂质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。本发明膜电极的催化层采用多孔材料及填充在多孔材料内的催化剂制备而成，通过调节膜电极催化层结构来降低铂使用量，采用部分结构有序化工艺，调节膜电极催化层结构来降低铂使用量，降低燃料电池成本。本发明所述膜电极相对于传统膜电极，因采用部分有序化结构，能够有效提高催化剂利用率，降低催化剂载量，克服膜电极溶胀问题，易于放大，有利于批量生产。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种低铂质子交换膜燃料电池膜电极，包括在质子交换膜两侧涂布催化层，所述催化层包括多孔材料及填充在多孔材料内的催化剂，所述催化剂是铂载量为40%-60%的铂碳催化剂中的一种或多种。

所述多孔材料采用耐腐蚀且稳定的疏水材料制成，包括膨体聚四氟乙烯或/和聚偏氟乙烯。

所述多孔材料孔隙率为80%以上，多孔材料实际厚度为1-10μm，实际孔径为10-200μm。

所述低铂质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，包括以下步骤：

（1）在多孔材料表面，利用薄膜制备技术制备催化层，催化层表面铂载量为0.05-0.3mg/cm²；

（2）在催化层表面喷涂Nafion溶液，得到有粘结性能的催化层，催化层表面Nafion的含量为 0.04-0.3mg/cm²；

（3）将步骤（2）制得的催化层与质子交换膜加压组装，得到催化层覆盖的质子交换膜CCM，其中加压温度为25-140℃，压力为10-30bar，加压时间为50-180 s；

（4）将CCM两面点胶后粘合气体扩散层得到低铂质子交换膜燃料电池膜电极。

所述步骤（1）中催化层的制备方法：将多孔材料置于催化剂墨水中浸泡，当多孔材料内催化剂含量不再增加时，取出多孔材料并烘干，并在烘干后的多孔材料表面进行催化剂墨水的涂覆并烘干。在设定温度为40-150℃的烘箱中进行所述烘干过程。