[发明专利]一种薄层疏水的燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种薄层疏水的燃料电池膜电极及其制备方法，其中，该膜电极包括质子交换膜以及涂覆在质子交换膜两侧的疏水催化层，疏水催化层由催化剂墨水涂覆在质子交换膜表面后形成，催化剂墨水包括催化剂、质子导体聚合物、疏水剂以及溶剂，疏水剂为氟硅油和四氟化碳的混合溶液。与现有技术相比，本发明的膜电极表现出更高的输出性能，尤其是在高电流密度区域。此外，该催化层制备过程工艺流程简单、快捷，易于实现规模化生产。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种薄层疏水的燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种不需要经过卡诺循环高效地能源发电装置，能够直接将燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应转换为可利用的电能。燃料电池具有零排放、能效高、启动速度快、环境适应性好等优点，使燃料电池在汽车、航天、固定电源、便携式电源、无人机等领域有着极其广阔的应用前景。燃料电池被认为是21世纪新型高效环保的新能源，受到世界各国的高度重视。

燃料电池由膜电极和双极板等关键部件组成，其中膜电极(MEA)是燃料电池的核心部件，其性能的好坏直接决定了燃料电池的输出性能。MEA主要包括质子交换膜、催化层、气体扩散层。催化层是燃料和氧化剂行电化学反应的场所，催化层的物理特性和制备过程对催化剂的利用率和电池的性能有着决定性的作用。因此设计构建高效催化层结构一直受到研究者们的广泛关注。

目前催化层主要由离子聚合物和催化剂以一定比例混合制备，气、水、质子和电子传输通道均处于无序状态，膜电极结构存在缺陷，催化剂利用率和物质传输通道效率较低。而且这种结构的催化层由于内部没有憎水通道，催化层表现出一定的亲水性。当电池在高电流密度下运行时，电化学反应生成的水容易造成催化层发生水淹，堵塞催化层内部的孔隙，导致催化层内部水和反应气体的传输通道受阻，大大降低电池的性能。过去，研究者们主要通过在催化层中掺杂PTFE疏水剂来提高催化层的排水能力，降低电池在高电流密度下的质量传输损耗。如中国专利CN99112826提出了一种薄层疏水催化层电极、膜电极三合一组件的制备方法。它是将催化剂、质子导电聚合物和PTFE疏水剂以一定比例制成墨水，直接或间接刷印到质子膜上形成膜电极组件。但令人苦恼的是PTFE疏水剂需经过340℃高温热处理发生纤维化才能表现出明显地疏水性，因此该专利的增益效果有限。再如中国专利CN101728542公开了一种制备质子交换膜燃料电池憎水化CCM的方法。它是将PTFE疏水剂与催化剂混合的墨水喷涂到铝箔耐热介质上制得催化剂前驱体，然后催化剂前驱体中PTFE经过高温热处理以形成疏水网络结构，再通过转印法将疏水的催化层从耐热介质上转移至质子膜上，最后得到憎水化的CCM。在这种方法中，虽然PTFE疏水剂经过高温焙烧后大大提高了催化层的疏水性，但工艺流程繁琐，适用于实验研究，不利于大批量生产。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种薄层疏水的燃料电池膜电极及其制备方法。

在第一方面，本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种薄层疏水的燃料电池膜电极，所述膜电极包括质子交换膜以及涂覆在所述质子交换膜两侧的疏水催化层，所述疏水催化层由催化剂墨水涂覆在质子交换膜表面后形成，所述催化剂墨水包括催化剂、质子导体聚合物、疏水剂以及溶剂，所述疏水剂为氟硅油和四氟化碳的混合溶液。

在第一方面的一种优选方式中，所述的所述催化剂包括碳载铂或碳载铂合金，其中，所述催化剂中铂的质量分数为20％～60％。

在第一方面的一种优选方式中，所述的质子导体聚合物为5％～10％nafion溶液。

在第一方面的一种优选方式中，所述疏水剂中，所述氟硅油和四氟化碳的质量比为1:(2～30)。由于氟硅油不容易直接溶解于水或有机溶剂，因此需要采用四氟化碳作为助溶剂，但是四氟化碳的含量也不宜过高，否则容易覆盖催化剂表面的活性位点。另外，四氟化碳在常温常压下为气体，因此与氟硅油混合前需经过高压液化然后再混合溶解。