[发明专利]一种燃料电池膜电极的制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池膜电极的制备方法，包括如下步骤：准备气体扩散层，所述气体扩散层包括第一催化剂层；在气体扩散电极的第一催化剂层上直接进行全氟磺酸树脂(PFSA)溶液的涂覆；干燥处理；制备质子交换膜(PEM)；通过一定方式将催化剂浆料覆于干燥后的PEM膜的外侧表面；干燥处理，得到第二催化剂层；然后热处理；即得到三层膜电极CCM。本发明的优势在于全氟磺酸树脂PFSA在催化层表面直接成膜，降低了催化层与质子交换膜界面间的传递质子的阻力；增强了催化层与质子交换膜间的水传递能力，在电池操作过程中可更好的润湿质子交换膜；将质子交换膜制备过程融合入膜电极的制备过程，缩短了制备周期。

技术领域

本发明涉及燃料电池膜电极技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种电化学电池，其主要原理是将燃料和氧化剂中的化学能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池领域的重要分支，除了拥有燃料电池一般性特点如能量转换效率高、环境友好之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率和比能量高等突出优点。它不仅适用于分散式电站的建设，而且适用于移动供电。它是一种新型的军用和民用移动电源。因此，质子交换膜燃料电池具有非常广阔的应用前景。

膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是燃料电池进行氧化还原反应的场所，主要由全氟磺酸质子交换膜(Proton ExchangeMembrane,PEM)、催化剂层(Catalyst layer,CL)、气体扩散层(Gas diffusion layer,GDL)以及密封材料组成。本发明所涉及的三层膜电极(CCM)则由PEM、阳极催化层(AnodeCatalyst layer,ACL)及阴极催化层(Cathode Catalyst layer,CCL)组成。本发明所涉及的五层膜电极(MEA)则由CCM及阴阳极GDL组成。CCM作为燃料电池电化学反应的基本单元，其结构设计和制备工艺方案的提出，需要以燃料电池电化学反应的基本原理和特性为理论基础，并结合其实际工作条件加以综合考量。CCM的结构设计和制备工艺技术是燃料电池的关键技术，其决定了燃料电池的工作性能。

现有的三层膜电极(CCM)制备技术主要包含(但不限)如下几种：1，双转印法，即先在基体膜上涂覆催化剂浆料干燥后得到ACL及CCL，再通过热压转印的方式将ACL及CCL接合到PEM的两侧；2，单转印法，即在具有背膜的质子交换膜(PEM)的外侧直接进行阴极(或阳极)催化剂浆料的涂覆，制备具有CCL(或ACL)的PEM，干燥后将涂覆有CCL(或ACL)的PEM从背膜剥离，再通过热压转印的方式将ACL(或CCL)贴合至PEM的另外一侧；3，双面涂覆法，即首先在具有背膜的PEM的外侧进行阴极(或阳极)催化剂浆料的直接涂覆，烘干后得到具有CCL(或ACL)的PEM，将涂覆有CCL(或ACL)的PEM从背膜剥离，再将阳极(或阴极)催化剂浆料直接涂覆至PEM的另一侧并烘干，或同时将ACL及CCL涂覆于PEM的两侧并进行烘干；4，喷涂法,即在PEM的两侧分别通过喷涂阳极催化剂浆料及阴极催化剂浆料的方式制备得到CCM；5，丝网印刷法，通过丝网印刷将催化剂浆料直接印刷至PEM的表面烘干后再进行另一侧催化层的印刷，制成CCM；6，原位制备法，通过化学及物理的方法直接将催化剂生长于PEM的两侧，形成有序催化层结构的CCM。

由此，将上述CCM的制备方法总结为两大类，一，利用催化剂浆料在PEM的两侧直接制备催化层，如直接涂覆法、喷涂法或丝印法；二，在背膜上制备催化层后，再经过转印贴合的方式将催化层与PEM贴合；或是由这两类方法的结合。

将上述方法得到的CCM两侧分别与GDL贴合即得到MEA。另外一种MEA的制备方法为传统的气体扩散电极(Gas Diffusion Electrode,GDE)制备法(如本申请的图1所示)，即将阳极催化剂浆料涂覆于GDL之上得到阳极GDE，阴极催化剂浆料涂覆于GDL之上得到阴极GDE，再通过热压的方式将阳极GDE与阴极GDE分别接合到PEM的两侧，得到MEA。