[发明专利]一种新型超薄质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种新型超薄质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC)，可以将化学反应自由能通过膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)系统直接转换为电能，具有能量转化率高(40～60％)，环境友好、工作寿命长、操作温度低等优点，PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，即PEMFC)作为新一代能源技术应用前景广阔，市场潜力巨大，凡是需要能源、动力的地方都可以应用PEMFC，各种各样的PEMFC产品将渗透到社会各行各业乃至普通家庭，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。PEMFC最早于1960年被用作双子星座宇宙飞船的电源，但在这之后的二三十年里，PEMFC的研究开发工作经历了一些起伏和波折，但随着上世纪90年代对一些关键问题的突破，PEMFC技术有了很大的进步，目前已接近实际应用阶段。然而，对于该项技术的大规模推广应用，PEMFC还有许多需要改进的地方，其中关键是膜电极的制作和电池水/热平衡控制技术(前者决定着电池的性能，后者则关系到电池能否稳定运行)以及膜电极成本的降低。

膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是DMFC的核心部件，是电化学反应发生的主要场所。MEA的结构包括阳极扩散层、阳极催化层、电解质膜、阴极催化层和阴极扩散层。除了材料本身的性质外，DMFC性能的提高很大程度上取决于MEA的制备工艺。目前MEA的制备过程主要有两种：一种是将催化层直接制备或转压到膜上，形成催化剂覆盖的膜(Catalyst-Coated Membrane，CCM)，然后将CCM与气体扩散层组合形成MEA；另外一种是将催化层制备到扩散层上形成气体扩散电极(Gas Diffusion Electrode，GDE)，然后将GDE与电解质膜热压制得MEA。其中电极的制备方法主要有喷涂法(Spray)、涂膏法(Paste)、电化学沉积法(ECD)和真空溅射法等。

传统的GDE制备工艺如下：首先将催化剂与适量的PTFE以及溶剂超声振荡、混合均匀，然后将催化剂均匀地刷涂到扩散层上，用Nafion溶液浸渍催化层，将制备的阴极和阳极分别置于电解质膜的两侧热压得到MEA。这种工艺制备的电极尺寸可以灵活变化，易于放大与批量生产，但这种电极制作方法操作工序多，影响因素也多。该类方法将催化剂涂布到碳粉整平的碳纸或碳布上，碳粉层的厚度和孔隙分布不均匀，致使催化层厚度不均匀。而且部分催化剂渗透到碳纸或碳布中，因不能有效地参与电化学反应而浪费，降低了催化剂的利用率，膜电极的稳定性较差。加入的PTFE不仅是作为粘结剂，还要利用其疏水性提供气体扩散通道，但实际上PTFE并没有均匀地分布在GDE中，而且有的孔道和颗粒已经完全被PTFE包裹，因此即使浸渍Nafion后，许多活性位上仍然不能发生电化学反应。

薄层转压法(Decal method)和浇铸法(Casting method)是制备CCM常用的两种方法。Los Alamos National Laboratory(LANL)提出的薄层转压法大幅度地提高了PEMFC/DMFC的电极性能。该法将催化剂和Nafion溶液混合，并加入适量的水和甘油，超声震荡分散均匀。用喷枪等设备将浆液均匀地喷涂在PTFE膜上，电极焙烧后在一定温度、压力下，将催化层转移到电解质膜上。这种方法在催化层中以Nafion代替PTFE作为粘结剂，使Nafion在催化层中的分布比较均匀。

这类电极优点是电极催化层与膜结合紧密，降低了MEA电阻，催化剂颗粒与Nafion质子导体接触良好，催化剂利用率高。缺点是(1)工作过程中容易因为电极催化层与膜溶胀性不同而导致催化层与膜的剥离，主要体现在由于Nafion膜的亲水性，当催化剂直接在Nafion膜上沉积时，在溶剂的作用下，质子交换膜膨胀变形，影响了电极尺寸的控制；(2)催化层厚度很难准确控制，不宜制作面积较大的MEA；(3)尽管催化层的支撑体不同，但是单以催化层的组成来看，CCM也是亲水电极的一种。因此，这种结构的电极存在的问题也和亲水电极一样，容易在大电流密度下产生“水淹电极”的现象。