[发明专利]一种质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺与所用设备

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池催化层的制备工艺与所用设备，属于燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池由于具有高效、清洁、低噪音、可靠性高以及比功率高等优点，而愈来愈广泛地受到各国政府的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。在各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池（缩写PEMFC）以其独有的特性而最有希望成为未来汽车、便携式电子设备和部队野外行动装备等的动力源：工作电流大、比能量高、能量效率高、常温下起动时间短等，其研究和应用也是后来居上，在电池的成本和耐久性等方面都取得了突破性的进展。除各国政府的重视外，奔驰、尼桑、福特、巴拉德等大公司也都投入巨大的人力、物力和财力来进行PEMFC汽车动力系统的研究开发，不仅在公司内部成立专门的研发小组，并资助众多的国际知名高校和研究所进行相关的研究工作，目前世界上的许多样车都是由这些公司率先研发。国内的大连物化所、武汉理工、上海交大、西安交大、中山大学等也在各种资助开展了许多的基础研究工作。然而，目前我国的燃料电池技术水平与国际先进水平相比仍有一定的差距，特别是在自主知识产权的关键技术方面，我国投入的经费和公司参与等方面与美国、加拿大等相比有较大的不足。

    催化层（Catalyst Layer，缩写CL）是PEMFC的核心组件，其性能的优劣直接影响电池的性能和发展前景。目前的催化层主要问题是以Pt为催化剂导致成本的居高不下，更为重要的是该催化剂容易与反应物中可能存在的CO等杂质结合，产生毒化，体积分率百万分之几就可带来性能的急剧下降；此外，在工作过程中，催化层的内部微观结构等会产生不可逆变化（如聚合物溶涨导致气体通道的减少和Pt/C的团聚等），引起电池的恶化，导致电池的工作寿命不长。基于上述两大主要问题：成本高和使用寿命短，也是PEMFC目前尚没有很好商业化和规模生产的主要障碍。CL是电池发生反应的场所，且必须要有良好的立体反应空间和三相交界面（电解质、催化剂和反应物），以及良好的组分和电荷传导网络。因此，其内部的构成和工作机理非常的复杂，不同的微结构和组成（聚合物、Pt/C等的含量和类型）都会带来性能的巨大差异。PEMFC中催化层的关键材料主要是贵金属Pt催化剂（研究人员已开发大量的Pt合金和非Pt催化剂）、全氟磺酸膜和碳载体等。催化层的性能除了与材料有关外，还与结构密切相关。因此，通过改进催化层的制备方法对其结构进行优化，是提高其性能的重要途径之一。为提高催化剂的利用率，在Pt/C的基础上研究人员先后开发出涂膏法、滚压法和电化学催化法等工艺，并取得了显著的成效。催化层制造一般都是和膜电极组件一起加工形成。根据MEA（即膜电极组件Membrane Electrode Assemblies的缩写）制备过程中CL的支撑基体不同，可以将目前众多MEA的制备方法归纳为两种制备模式：以气体扩散层为CL支撑体的制备模式，即先把CL做到GDL（Gas Diffusion Layer的缩写）上制得多孔气体扩散电极，再通过热压的方法把多孔气体扩散电极与PEM（即质子交换膜Proton Exchange Membrane 的缩写）组合形成MEA；以PEM为CL支撑体的制备模式，即直接把将CL做到PEM两侧并经一定工艺处理后形成薄层MEA。CCM(即Catalyst Coated Membrane的缩写)是一种将催化剂直接涂覆于质子交换膜表面的三合一组件，在近几年的研究中得到了广泛的应用。CCM对PEMFC的输出功率、能量密度分布及工作寿命有着决定性的影响。材料选择、电极结构和制备工艺等决定了其基本性能，同时电池工作环境的选择与控制对气体扩散、质子传递以至CCM中电催化剂和质子交换膜的性能都有较大的影响。人们提出了多种制备CCM的方法，在降低Pt载量及提高PEMFC的性能等方面取得了进展。该技术是今后膜电极制备工艺的发展方向。对CCM的制备模式还有待于更深入地研究，如CCM结构并未达到最佳设计，结构对电极上的传递过程影响尚不明确，制备过程对PEM结构和性能的影响，催化层涂覆到PEM上的工艺优化等。