[发明专利]带致密微孔层的燃料电池电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及一种带致密微孔层的燃料电池电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池的低温冷启动性能是燃料电池的一个非常重要的指标。通常情况下，燃料电池在低于零摄氏度的情况下启动时，电池反应产生的水将会结成冰，水结冰后体积增大，这些冰如果在燃料电池的催化层内或催化层附近形成，将会破坏催化层结构，造成催化层脱落等，因而直接影响到燃料电池电极稳定性。

有效减少低温冷启动时电极上的结冰情况，对提高燃料电池电极的低温冷启动的稳定性具有重要的意义。

常规的燃料电池电极结构，包括位于中间的质子交换膜层、位于质子交换膜层两侧的电极催化剂层和位于两电极催化剂层外侧的气体扩散层。其中气体扩散层一般采用碳纸、碳布等材料，在该材料的其中的一个面上直接涂布一层碳粉和PTFE混合层，用于提高扩散层表面的平整度。该层也是一层微孔层，不过其结构不够致密，而且PTFE含量一般低于30％，厚度一般低于0.04mm，是一种“非致密微孔层”。因而在低温下(低于零摄氏度)层内容易滞留水分结冰，该层因为紧贴催化层，层内结冰对燃料电池气体扩散及电极催化层有影响，这样就直接影响了燃料电池电极低温启动的稳定性。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决燃料电池电极低温启动的稳定性问题，而提供一种带致密微孔层的燃料电池电极及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：一种带致密微孔层的燃料电池电极，包括位于中间的质子交换膜层、位于质子交换膜层两侧的电极催化剂层和位于两电极催化剂层外侧的气体扩散层，还包括设置在电极催化剂层和气体扩散层之间的致密微孔层，所述致密微孔层由20％～70％质量的高导电碳粉和30％～80％质量的树脂混合制成，其厚度为0.05毫米～0.2毫米，其微孔孔径在0.02-0.2微米之间。

上述电极的制备方法，该电极由设置在中间的质子交换膜层、涂敷在质子交换膜层两侧的电极催化剂层、设置在两电极催化剂层外侧的致密微孔层和设置在两致密微孔层外侧的气体扩散层层叠压制而成，其中的致密微孔层由致密微孔薄膜构成，该致密微孔薄膜由以下步骤制备：

a、取20％～70％质量的高导电碳粉和30％～80％质量的树脂混合均匀；

b、将步骤a所得混合料放入滚压设备滚压成厚度为0.1mm的薄膜；

c、将步骤b所得薄膜在低于树脂熔点的温度下热压成厚度为0.05毫米～0.20毫米的致密微孔薄膜。

步骤c中所述的热压温度为100～300℃，压力为20～200kg/cm²。

所述的高导电碳粉的粒径为15纳米～30微米，所述的树脂选自聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯中的一种或几种。

本发明带致密微孔层的燃料电池电极有利于提高燃料电池低温启动的稳定性。

附图说明

图1本发明带致密微孔层的燃料电池电极的截面结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的带致密微孔层的燃料电池电极，包括质子交换膜层1、电极催化剂层2、致密微孔层3和气体扩散层4。质子交换膜层1位于整个电极的中间、两电极催化剂层2分别位于质子交换膜层1的两侧，两致密微孔层分别位于两电极催化剂层的外侧，两气体扩散层分别位于两致密微孔层的外侧。致密微孔层由20％～70％质量的高导电碳粉和30％～80％质量的树脂混合制成，其厚度为0.05毫米～0.2毫米，其微孔孔径在0.02-0.2微米之间。

本发明中的质子交换膜层1起着分隔气体和导通质子的作用。电极催化剂层2可以是由Pt/C和质子交换树脂构成，附在膜的两侧，是气体参加电化学反应的场所。致密微孔3由导电碳粉和树脂构成，紧贴电极催化剂层。气体扩散层4一般是碳纸、碳布或具有均一孔径的柔性石墨片等高导电性透气性碳材料，位于致密微孔层的外侧。

本发明中的高导电碳粉的粒径为15纳米～30微米，树脂选自聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯等热塑性疏水材料。

本发明的电极由设置在中间的质子交换膜层1、涂敷在质子交换膜层两侧的电极催化剂层2、设置在两电极催化剂层外侧的致密微孔层3和设置在两致密微孔层外侧的气体扩散层4层叠压制而成。其中的质子交换膜、电极催化剂和气体扩散层均为通用产品，致密微孔层为本发明的特征产品，该致密微孔层由致密微孔薄膜构成，致密微孔薄膜的制备方法通过以下实施例作进一步的说明。

实施例1