[发明专利]一种膜电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有低界面接触阻抗的膜电极及其制备方法。所述膜电极的制备方法包括以下步骤：1)将导电颗粒、疏水性聚合物粘接剂和溶剂醇分散均匀，制备成导电粘结剂浆料；2)制备催化剂浆料，涂覆在质子交换膜的表面制得CCM；3)将导电粘接剂浆料涂覆在GDL微孔层侧表面和/或CCM的表面，干燥后形成导电粘接剂涂层，将CCM和GDL通过导电粘接剂涂层粘合后组成膜电极，并组装于燃料电池。本发明方法在CCM以及GDL微孔层侧的表面涂覆导电的粘接层，利用电池组装和运行过程使CCM与GDL紧密的粘接在一起，有效的降低了界面接触阻抗，提升燃料电池的性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池中膜电极及其制备方法。

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。质子交换膜燃料电池的核心部件是膜电极，是燃料电池进行氧化还原反应的场所，其主要是由气体扩散层、催化层以及质子交换膜等构成。

目前膜电极的制备方式通常包括将催化层直接涂覆到质子交换膜(PEM)上形成催化剂涂覆膜(CCM,Catalyst Coated Membrane)，然后将CCM与气体扩散层(GDL)粘合在一起制备成膜电极；另一种膜电极的制备方法是将催化剂浆料直接涂覆在GDL上制备成气体扩散电极(GDE，Gas Diffusion Electrode)再与质子交换膜结合，即GDE制备方法。CCM制备方法能够克服GDE制备方法中存在的催化层与质子交换膜之间的界面阻抗大，以及催化剂颗粒堵塞气体扩散层孔道等问题，因此CCM制备方法现阶段被广泛应用。

在CCM的制备方法中，主要存在催化层与气体扩散层之间较大的界面接触阻抗，而严重影响燃料电池的性能。为了降低催化层与气体扩散层之间的界面接触阻抗，提高燃料电池的性能，一般通过对CCM和气体扩散层进行热压贴合。在这种热压贴合工艺中，采用的高温以及压力往往会对气体扩散层与催化层的多孔结构造成不可逆转的破坏，从而导致气体的传质阻抗增大而使燃料电池的性能下降。与此同时，为了提高气体扩散层与CCM之间的粘接效果，通常也会在气体扩散层的四周涂覆一层胶水，而胶水通常是聚酯类的热压胶。在燃料电池的强酸性环境中，这种热压胶的结构会发生分解而在电池里引入新的杂质影响催化剂的活性，从而造成电池性能的下降。因此，优化燃料电池膜电极的结构以及工艺，降低催化层与气体扩散层之间的界面接触阻抗，对提升燃料电池的性能具有重大的意义。

发明内容

在CCM制备工艺中，催化层电极与气体扩散层之间存在大的界面接触阻抗，因此在膜电极制备中需采用热压贴合工艺。而气体扩散层与催化层电极之间的热压贴合虽然会降低他们之间的界面接触阻抗，但是热压的压力对气体扩散层与催化层的多孔结构造成不可逆转的破坏，从而导致气体的传质阻抗增大而使燃料电池的性能下降。与此同时，在热压过程中所使用的气体扩散层贴合胶水在在燃料电池长期运行的强酸性环境中发生分解，导致在电池里引入新的杂质而影响催化剂的活性，从而造成电池性能的下降。

针对以上缺陷，本发明的目的在于提供一种膜电极的制备方法，避免采用热压贴合工艺，能够克服热压贴合工艺对气体扩散层与催化层的多孔结构造成的破坏，以及贴合胶水的分解，导致电池性能下降的缺陷，通过对气体扩散层以及催化层表面结构的优化，使得催化层与气体扩散层粘接紧密，同时避免对孔道结构的不利影响，从而有效降低催化层与气体扩散层之间的界面接触阻抗，提高燃料电池的性能。

本发明的另一目的还在于提供一种所述方法制备的具有低界面接触阻抗的膜电极。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种膜电极的制备方法，包括以下步骤：

1)导电粘结剂浆料的制备