[发明专利]一种生长晶须形成的燃料电池膜电极组件及制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种生长晶须形成的燃料电池膜电极组件及制备方法。包括如下制备过程：（1）将碳纤维纸两面喷涂聚四氟乙烯乳液，干燥备用；（2）将多孔纳米催化剂、氯化锌、分散剂、沉淀剂加入水中，混合搅拌得到浆状物；（3）将浆状物、Nafion溶液、碳材料混合后涂布于碳纤维纸一侧，加热处理得到表面形成催化层的碳纤维纸；（4）将质子交换膜表面喷涂Nafion溶液后与碳纤维纸热压贴合，制得生长晶须形成的燃料电池膜电极组件。本发明通过将氯化锌装载于微孔催化剂中逐步形成氧化锌晶须的同时形成宏观纤维状的催化剂纤维，晶须分布均匀，晶须网孔微细而均匀，并且制备工艺简单，过程可控。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种生长晶须形成的燃料电池膜电极组件及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池也称为聚合物电解质膜燃料电池，是一种新兴、高效、环境友好的能源转换应用电池，在运输、固定以及可移动电源领域应用广泛。其中，膜电极（MEA）是燃料电池的核心部件，通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。

膜电极中，催化层是膜电极组件（MEA）中发生电化学反应的场所，催化层的性能和稳定性极大程度上决定了MEA 的电化学性能，同时催化层中的电催化剂的成本也占了MEA总成本的很大比例。为了降低催化剂成本，一方面不断筛选复合催化剂，提高催化层的反应活性；另一方面，提升催化剂与质子交换膜的稳定性，减少损失，降低催化剂用量。而提升催化层微观结构改性，特别是有序化催化层成为提升催化层性能的又一突破口。

通常的催化层是将催化剂与异丙醇溶剂和粘接剂分散均匀后通过超声雾化喷涂粘接在质子交换膜层，形成的催化剂薄层微孔无序，影响传质效果。在膜电极的载体结构中引入有序化的界面，对膜电极中的电荷和物质传输有着重要的作用，在质子交换膜界面有序化的催化剂、质子传导体、导电体对提高质子交换、透气性、排水性、催化效率均有作用，成为目前的研究热点课题。

中国发明专利申请号201611014780.0公开了一种基于金属氧化物纳米带的有序化膜电极及其制备方法和应用，包括金属氧化物纳米带的制备，金属氧化物纳米带的表面的修饰及有序化膜电极的装配。首先在基底上生长具有规则取向的Co-OH-CO₃阵列，然后以Co-OH-CO₃纳米棒阵列为模板制备金属氧化物纳米棒阵列，再在金属氧化物纳米棒阵列表面担载催化剂，最后将阵列热压于离子交换膜上得到膜电极，并对膜电极进行净化处理，所构建的有序化膜电极可应用于燃料电池、固体聚合物水电解池、一体式可再生燃料电池。

中国发明专利申请号201810296464.X公开了一种催化层全有序结构燃料电池电极和膜电极的制备方法，通过该发明方法所制备的燃料电池电极和膜电极中，催化层组分包括催化剂活性组分、催化剂载体和离子导体都具有有序化的阵列结构。这种全有序的催化层结构具有很高的三相反应界面，可以提供高效的电子、离子和物质传输通道，从而有效地降低电极内部的物质传输阻力、电荷传输阻力以及电化学极化电阻，有效地提高电极中的电化学反应效率和能量转化效率。

根据上述，现有方案中用于质子交换膜燃料电池的膜电极中催化层有序化的设计和制备较为复杂，缺乏一定的可控性，制约了膜电极的进一步发展。

发明内容

目前应用较广的质子交换膜燃料电池的膜电极中，催化层有序化过程存在制备工艺复杂、可控性差、性能不理想等缺陷，本发明提出了一种生长晶须形成的燃料电池膜电极组件及制备方法，可有效解决上述技术问题。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种生长晶须形成的燃料电池膜电极组件的制备方法，制备的具体过程为：

（1）将碳纤维纸两面均匀喷涂聚四氟乙烯乳液，干燥，制得预处理的碳纤维纸；