[发明专利]一种燃料电池膜电极制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池膜电极的制备方法，具体为采用涂覆技术在涂覆基底上涂覆大面积的质子传导聚合物溶液；在涂覆好的质子传导聚合物溶液上放置与其涂覆面积相同的气体扩散电极；待干燥成型后从涂覆基底上剥离，裁切成多个需求尺寸的膜涂层电极备用；将绝缘气密边框放置在两片膜涂层电极的膜侧，形成膜电极胚体，热压处理后得到一体式膜电极。该方法可以优化膜电极的三相界面，降低膜电极的界面物质传输阻力；减少直接膜沉积过程中质子传导聚合物溶液向催化层孔隙和裂纹的渗透，增加膜电极的催化活性和质子交换膜阻隔气体的能力。这是一种基于涂覆技术、可扩展的膜电极制备方法，该方法优化了膜电极制备技术，既可连续化生产也可间歇生产。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种一体式燃料电池膜电极的制备方法；尤其涉及一种可以减少质子传导聚合物溶液渗透的基于直接膜沉积技术的一体式膜电极的制备方法。

背景技术

燃料电池能够通过电化学反应将化学能直接转化为电能，而被认为是一种重要的绿色能源技术。膜电极是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中最为核心的部件，作为电化学反应发生的场所，膜电极在燃料电池中起着关键作用，其特性直接决定了燃料电池的整体性能。膜电极的结构设计和制备工艺，一直是PEMFC领域的核心技术。

膜电极的制备方法以及各功能层如：质子交换膜(PEM)、阴极和阳极催化剂、气体扩散层的结构设计均会对燃料电池的性能产生影响。目前，膜电极的制备方法多是把各功能层看作独立单元分别加工制作，各功能层之间具有明显界面。这种方式制备的膜电极各功能层界面间存在较大的界面阻力，影响膜电极内部反应物及生成物(气体、电子、质子、水分)的传输，而且在长时间工作中容易导致各功能层界面分层或错位，造成电池输出性能降低。中国专利CN109638298A采用狭缝模头流延技术依次涂覆阴极催化剂、Nafion溶液和阳极催化剂，制备了阴极催化层、质子交换膜和阳极催化层，且在每次制备催化层后在催化层边缘放置一层支撑边框，制备了3D结构膜电极。中国专利 CN110247062A在气体扩散电极上直接涂覆全氟磺酸树脂(PFSA)溶液，干燥成膜后涂覆另一催化层，制备膜电极。这种制备膜电极的方法，将质子传导聚合物直接涂覆在催化层或气体扩散层上成膜，可以降低催化层与PEM界面间的物质传输阻力。但是在质子传导聚合物涂覆过程，由于催化层或气体扩散层表面存在相当多的孔隙和裂纹，液态质子传导聚合物易渗透到催化层孔隙和裂纹中，造成质子传导聚合物过度填充以及制备的PEM 存在缺陷，影响催化剂的催化性能和PEM阻隔气体的能力，从而造成膜电极电输出性能和耐久性降低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的膜电极界面传输阻力大以及膜电极制备过程中液态质子传导聚合物易渗透到催化层或气体扩散层的孔隙和裂纹中造成质子传导聚合物过度填充以及制备的质子交换膜存在缺陷的问题，提出一种膜电极制备方法。该方法通过将质子传导聚合物涂覆在基底上，然后放置气体扩散电极，待干燥成型后从基底上剥离，得到膜涂层电极。然后将两个膜涂层电极与绝缘气密边框组装热压，得到膜电极。这是一种基于涂覆技术，可扩展的膜电极制备方法，该方法优化了膜电极制备技术，可以在降低膜电极界面传输阻力的同时，减少液态的质子传导聚合物因重力作用而向催化层孔隙和裂纹渗透的问题，从而提高直接膜沉积技术中膜电极的电输出性能和质子交换膜阻隔气体的能力。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种燃料电池膜电极制备方法，包括以下步骤：

S1、使用涂覆设备在涂覆基底上涂覆大面积的质子传导聚合物溶液；

S2、膜涂层电极的制备

a)将与质子传导聚合物溶液涂覆尺寸相同的气体扩散电极放置在步骤S1涂覆好的质子传导聚合物溶液上，其中气体扩散电极的催化层侧与质子传导聚合物溶液接触；

b)将步骤a)制备的样品进行干燥成型并退火热处理后，将其从涂覆基底上剥离，得到膜涂层电极；

S3、裁切备用：将步骤S2制备的大面积膜涂层电极裁切成需求尺寸备用；