[发明专利]燃料电池膜电极的制造方法和膜电极

说明书

本发明涉及燃料电池的技术领域，公开了燃料电池膜电极的制造方法和膜电极，其中燃料电池膜电极的制造方法包括以下步骤：采用甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)作为碳源，通过化学气相沉积法，在特定温度压力下制备石墨烯膜；通过腐蚀基体法将所述石墨烯膜转移至聚四氟乙烯薄膜上；将所述聚四氟乙烯薄膜置于台面上，使用刮涂法，将催化剂涂覆在所述聚四氟乙烯薄膜表层的所述石墨烯膜表层；用热压法将催化剂和所述石墨烯膜转印至全氟磺酸高分子膜上。采用石墨烯层作为过渡层，其厚度为纳米级，而石墨过渡层在微米级以上，由于厚度的降低，使得传质阻力也大大降低，同时石墨烯层2比石墨过渡层具有更好导电性，与整体性。

技术领域

本发明涉及燃料电池的技术领域，尤其涉及燃料电池的膜电极。

背景技术

膜电极是燃料电池的核心部件，是燃料电池化学反应的场所，主要由全氟磺酸质子交换膜、催化剂、气体扩散层以及密封材料组成。根据制备工艺的不同，膜电极结构包括第一代气体扩散电极、第二代CCM膜电极、和第三代的薄层有序结构电极等。其中第二代CCM膜电极的制备方法包括转印法和直接涂布法，转印法是指将催化剂浆料喷涂或者印刷到其它材料上，然后再转印到质子交换膜上形成催化层；最后直接涂布法是指将液态浆料直接涂布到质子交换膜上。

在膜电极中与催化层相邻的微孔层，其主要组成是碳粉和憎水性粘结剂，其主要作用是气体均匀分配和液态水移除，其中液态水移除是将催化层生产的水利用毛细力的作用吸出。由于微孔层通常是制备到扩散层上，其中与CCM膜电极压合到一起时，微孔层与催化层形成一个界面，而这个界面上通常会有液态水的滞留，进而影响气体传输。

转印法制备CCM膜电极，由于催化层中含有离子树脂，在加热的情况下与转印材料由一定的结合力，导致部分催化剂残留在转印材料表面，而使CCM膜电极转印不完全。为解决此问题，目前的做法为在承印膜上喷涂一层过渡层，再在过渡层表面涂布催化剂，烘干后再进行热压转印至膜上。

现阶段使用碳粉或者石墨粉的水或乙醇溶液，进行喷涂或者网印到转印材料表面上，再烘干，形成过渡层。这种采用物理方法制作出来的过渡层厚度过大，普遍在5um以上，而且厚度的均匀性无法保证。使得制作出来的CCM膜电极整体厚度增大，大大增加了燃料电池进行化学反应时的传质阻力与路程。而且，石墨过渡层由无数的石墨粒子组成，在石墨的浆料干燥后，形成的过渡层中石墨粒子会产生脱落，使得过渡层非常松散的，导致过渡层更加不均一。

发明内容

本发明的目的在于提供燃料电池膜电极的制造方法和膜电极，旨在解决现有技术中采用石墨作为过渡层原料导致过渡层厚度过大、厚薄不均的问题。

本发明是这样实现的，提供燃料电池膜电极的制造方法，包括以下步骤：

采用甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)作为碳源，通过化学气相沉积法，在特定温度压力下制备石墨烯膜；

通过腐蚀基体法将所述石墨烯膜转移至聚四氟乙烯薄膜上；

将所述聚四氟乙烯薄膜置于台面上，使用刮涂法，将催化剂涂覆在所述聚四氟乙烯薄膜表层的所述石墨烯膜表层；

使用热压法将催化剂和所述石墨烯膜转印至全氟磺酸高分子膜上。

进一步地，步骤：使用热压法将催化剂和所述石墨烯膜转印至全氟磺酸高分子膜上，具体包括：

在所述全氟磺酸高分子膜两侧分别放置所述四氟乙烯薄膜，热压后将所述石墨烯膜分别转印至全氟磺酸高分子膜的两侧。

本发明还提供了膜电极，包括过渡层，所述过渡层为单层石墨烯。