[发明专利]用于燃料电池的膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域。具体而言，本发明涉及一种用于燃料电池的膜电极及其制备方法，特别是膜电极所用催化剂浆料组成、该膜电极的制备方法及该膜电极的密封方法。

背景技术

膜电极组件是质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）的核心元件，在很大程度上决定了电池的电化学性能。因此，膜电极的制备及密封对提高燃料电池性能尤为重要。

众所周知，膜电极中催化层的微观结构是由涂覆在质子交换膜上的浆料所决定，而浆料的组成及分散程度对催化剂活化面积、质子和电子的迁移速度有很大的影响。不同的膜电极制备方法对浆料的组成有不同的要求，对于可大规模工业生产的转印法来说，浆料的转移率是一个十分重要的考量因素，而且由于热压过程中造成的孔隙率的降低影响着阴极的排水功能，直接导致电池的性能下降，这些都需要从催化剂浆料的组成上进行改善。目前已知的浆料分散方式大都是超声和磁力搅拌相结合，这两种方式不仅分散力度不够，而且需要较长的操作时间。一方面，长时间处理引起的温度上升使得催化剂颗粒重新团聚，另一方面，溶剂大量挥发使得浆料的成分发生变化，对催化层结构有非常不利的影响。此外，在对三合一或五合一膜电极进行组装时，一般的操作是通过一定尺寸的密封圈将其封装在两块流场板之间，不利于阴阳极气体的隔离，同时也会出现漏气现象，大大降低了燃料电池的电化学性能。因此，对催化剂浆料分散和膜电极的封装方式还有待进一步研究。

发明内容

本发明旨在解决上述所存在的技术问题。为此，本发明提出了一种用于燃料电池的膜电极所用催化剂浆料方案，及该膜电极的制备方法，以及该膜电极的密封方法。

本发明提出一种用于燃料电池的膜电极，其催化层由位于质子交换膜上的催化剂浆料组成，该催化剂浆料包括：催化剂、粘结剂、分散溶剂、增稠剂和添加剂，该五种组分的质量比为1:5.5~12.5:4~10:1~5:0.05~3，所述催化剂为选自Pt催化剂或Pt合金催化剂中的一种。

上述催化剂浆料中的催化剂所使用的碳载体选自碳纳米颗粒、碳纳米管或石墨烯中的至少一种。

上述催化剂浆料中的催化剂选用Pt合金催化剂时，Pt合金中的其它金属选自Ru、Sn、W、Mo、Os或Ni中的至少一种。上述催化剂浆料中的粘结剂选自全氟磺酸树脂溶液，或选自聚四氟乙烯溶液，或选自全氟磺酸树脂溶液和聚四氟乙烯溶液。二者的作用都是有效地粘结催化剂颗粒，其中全氟磺酸树脂可以增强质子的传输速度并对质子交换膜起到保湿作用，聚四氟乙烯有利于阴极催化层中多余水份的排除，但是会降低质子的传输速度。

本发明的膜电极中所用催化剂浆料中的分散溶剂选自异丙醇、去离子水、乙醇或正丙醇中的至少一种。催化剂颗粒在这些溶剂中均能够很好地分散。

催化剂浆料中的增稠剂选自丙三醇、乙二醇或乙酸丁酯中的至少一种。这些增稠剂的共同特点是介电常数和粘度比较高。

催化剂浆料中的添加剂选自碳酸氢铵、醋酸铵或二甲基硅油中的至少一种。其中碳酸氢铵和醋酸铵为造孔剂，可以增加催化层的孔隙率，二甲基硅油为疏水添加剂，三者均用于改善阴极催化剂在高电流密度下的排水性能。

本发明提出一种用于燃料电池的膜电极的制备方法，包括膜电极所用催化剂浆料的制备步骤、催化剂浆料的涂布步骤、膜电极的组装步骤。催化剂浆料的制备步骤中，催化剂浆料的分散方式与已报道的超声浴和磁力搅拌不同，采用转速范围更大、分散更加均匀的均质机进行分散处理方式制备。其工作原理在于：借助转子的高速运转，浆料在外界气压下进入转子与定子之间的孔隙并随之转动，转动过程中从转子和定子之间的孔隙中甩出，通过强大的剪切力和颗粒间的碰撞达到分散的效果。本发明中采用均质机时，分散处理时均质机的转速可设定在3000～25000rpm之间，分散时间可介于0.5h～6h之间。

本发明中，随着分散时间的加长，浆料中挥发性较强的溶剂会减少，以异丙醇为例，分散1h溶剂减少的质量大约为1.2g，为了保持浆料中的溶剂比，应将分散时间加长导致的溶剂损失计算在内。

本发明中，催化剂颗粒的分散效果随着分散时间的增加而增强，超过一定的分散时间，均质机对浆料的分散没有明显的作用。上述分散效果反映在燃料电池的性能上表现为：随着分散时间的增加，电池的性能增强，而过长时间的分散不利于电池性能的提升。

所以，优选的分散时间为0.5h-6h之间。最优选制备所述催化剂浆料的分散时间为4h，制备过程中均质机的优选转速为8000rpm。