[发明专利]聚合物超短纤维作为疏水剂的燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用膜电极及其制备方法，特别是催化剂层中包含有聚合物超短纤维的质子交换膜燃料电池用膜电极及其制备方法，制备膜电极的催化剂层具有良好的气体通道，而且机械强度及尺寸稳定性得到增强。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种通过电化学方式直接将化学能转化为电能的发电装置，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。这是因为燃料电池不受卡诺循环的限制，能量转化效率高。而且由于是H₂和O₂的化学反应，其产物是水，实现了真正意义上的零排放。

车载质子交换膜燃料电池在某些条件下往往会造成水淹电极，阻碍气体通道，使电池性能降低：电池在大电流条件下工作，在阴极反应生成大量的Faraday水，使阴极发生水淹；出于降低成本及提高面电导的考虑，膜电极用超薄质子交换膜(如厚度低于50微米的质子交换膜)，造成反扩散水增加，使阳极发生水淹；膜电极材料及结构的疏水性差，使膜电极中多余的水不能及时排出。目前质子交换膜阴、阳极普遍使用100％的加湿方案来提升电池的性能，反而加重了电池的水淹。

解决电池的水淹电极问题可采取的办法主要有：使电池在低增湿(无增湿)或高温(可使液态水气化)条件下工作，但该技术难度大，近期难以取得突破；对膜电极材料或结构层加强疏水处理，以增加膜电极的排水能力及反应气体的扩散通道。相对于前者，后者相对易于实现。目前普遍采用聚四氟乙烯(PTFE)作为疏水剂处理气体扩散层、微孔层(水管理层)及催化剂层以提高膜电极的排水能力或增加反应气体的扩散通道。气体扩散层、微孔层(水管理层)的疏水层处理工艺相对成熟，但催化剂层的疏水处理目前一直是一个难题。这是因为：1)PTFE需340～370℃才能熔融，构成良好憎水的气体传递通道，而催化剂层中含有Nafion等低熔点质子交换膜树脂疏水剂，如果高温处理会使其焦化。对Nafion进行Na化处理可提高其处理温度，但会使Pt/C催化剂中的纳米Pt长大，而且MEA制备后还需要对质子交换膜进行质子化处理，使膜电极合成工艺变得复杂。2)PTFE在与催化剂微粒共混、沉淀过程中往往呈球颗粒包裹Pt/C电催化剂微粒，由于PTFE为非导电体，导致催化剂微粒的导体性能降低，膜电极电阻增大。

日本Yamshita等人在其磷酸盐燃料电池电极的一项发明[US5441822]]中提出了一种解决PTFE包裹Pt/C电催化剂微粒问题的方法：将含有PTFE、催化剂微粒及高分子粘结剂的催化剂层压成片状；其后，作振动处理或拉伸处理，使PTFE发生原纤维化；然后，再将片状催化剂层热压(200～300℃)到气体扩散层表面获得气体扩散层电极。PTFE的纤维化可在一定程度上解决其对催化剂微粒导电性能的影响，同时纤维本身可阻止液体电解质或水通过，使其成为反应气体的扩散通道。这为后人解决燃料电池水淹问题提供了一种有益方法。但该方法工艺过于复杂，而且PTFE发生纤维化的过程中，同样也会使固体高分子粘结剂发生纤维化，使催化剂层的结构强度降低。此外，磷酸盐燃料电池与质子交换膜燃料电池的催化剂层组分是不相同的，这决定了该方法很难适用于质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池催化剂层中的电解质采用的是固体全氟磺酸树脂，同时，全氟磺酸树脂还起着粘结剂的作用。如果对催化剂层片进行拉伸处理，除了PTFE发生纤维化，同样也会使固体聚合物电解质发生纤维化，降低了催化剂层的三相反应界面。此外，制备扩散层电极过程中，200～300℃热压处理显然会使固体聚合物电解质焦化，降低了膜电极的寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型质子交换膜燃料电池用膜电极及其制备方法。与背景技术不同之处在于，本发明的膜电极的催化剂层掺杂了聚合物超短纤维。制备方法是将催化剂料浆涂敷在气体扩散层表面制得气体扩散层电极，然后将气体扩散层电极与质子交换膜热压制得质子交换膜燃料电池膜电极。或者通过转移法将固化的催化剂层转移到质子交换膜两侧制得催化剂/膜核心组件。

本发明的一种质子交换膜燃料电池用膜电极，其特征在于，所述的膜电极为聚合物超短纤维作为疏水剂的燃料电池膜电极，膜电极的催化剂层的主要组分是负载型催化剂、固体聚合物电解质及聚合物超短纤维；负载型催化剂，固体聚合物电解质，聚合物超短纤维的固体质量比为：1～2∶0.5∶0.05～0.2；所述的聚合物超短纤维是聚四氟乙烯(PTFE)、聚酯纤维(PES)、聚丙烯腈纤维(PAN)、芳族聚酰胺纤维(PPTA)、聚丙烯纤维(PP)和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)超短纤维中的任一种。