[发明专利]一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明涉及染料电池膜电极及其制备技术领域，具体涉及一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极及其制备方法。燃料电池膜电极由质子交换膜、第一催化层、第二催化层和碳纤维纸组成，所述第一催化层原料由微粒催化剂、水、全氟磺酸型聚合物溶液和异丙醇组成；第二催化层原料由大颗粒复合催化剂、水、全氟磺酸型聚合物溶液和异丙醇组成。制备方法为：将第一催化剂浆料通过超声雾化均匀喷涂在质子交换膜的表面，干燥定型，再将第二催化剂浆料通过超声雾化均匀喷涂在第一催化层，干燥定型，再热压贴合碳纤维纸。本发明解决了现有技术中燃料电池膜电极中直接喷涂催化剂浆料影响气体在催化层内分散传输受阻的缺陷，具有催化效率高、性能稳定的优点。

技术领域

本发明涉及染料电池膜电极及其制备技术领域，具体涉及一种梯度分布催化层的燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：能量转化效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式，而燃料电池就是比较理想的发电技术。

燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。安装地点灵活；燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。负荷响应快，运行质量高；燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。

燃料电池是不经过燃烧，直接以电化学反应将氢气、天然气等燃料和氧化剂直接转化为电能的高效发电装置。燃料电池除了能效转换率高之外，最大的好处是氢燃料储量丰富、清洁环保、可再生。目前应用于燃料电池汽车的主要是质子交换膜燃料电池（也叫氢燃料电池），它以纯氢为燃料，具备能量转换效率高、噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等性能。

质子交换膜燃料电池( proton exchange membrane fuel cell，PEMFC) 也称为聚合物电解质膜燃料电池，是一种新兴、高效、环境友好的能源转换应用电池，在运输、固定以及可移动电源领域应用广泛。膜电极由质子交换膜( proton exchange membrane，PEM)和电极组成。PEM 起着传递质子与分隔燃料气和氧化剂的作用，是一种具有选择性的高聚合物膜。电极通常分为两层，即催化剂层和气体扩散层( Gas diffusion layer，GDL) 。著名的加拿大Ballard公司在质子交换膜燃料电池的技术上全球领先，它的应用领域从交通工具到固定电站，其子公司BallardGenerationSystem被认为在开发、生产和市场化零排放质子交换膜燃料电池上处于世界领先地位。BallardGenerationSystem最初产品是250kW燃料电池电站，其基本构件是Ballard燃料电池，利用氢气（由甲醇、天然气或石油得到）、氧气（由空气得到）不燃烧地发电。