一種燃料電池膜電極及其制備方法

文檔序號：6906104閱讀：173來源：國知局

專利名稱：一種燃料電池膜電極及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，具體地說是涉及一種燃料電池膜電極及其制備方法。
背景技術：
燃料電池具有能量轉化效率高，易啟動，對環(huán)境污染小等優(yōu)點，被認為是未來最佳的" 清潔能源"，許多國家政府都投入巨資對其進行研究。尤其是質子交換膜燃料電池(PEMFCs) ，由于它可以用作電動車輛的動力源、分布式電站以及便攜式可移動電源，而在近年來受到世界各國的廣泛關注，其關鍵技術也得到了快速發(fā)展。
膜電極三合一^^n+^"ss^^是質子交換膜燃料電池的核心部件，其性能好壞直氣體擴散層，通常由導電的多孔材料構成，作用是收集電流、傳導氣體和排出反應產物——水。理想的擴散層應滿足三個條件良好的排水性、良好的透氣性、良好的導電性。碳紙、碳布是目前較為廣泛使用的擴散層材料，厚度約為100 300 ^"1。其均勻的多孔質結構和低的電阻率，保證了優(yōu)異的透氣性和電子傳導能力。由于碳紙或碳布中只有比較單一的大孔(如Toray TGP-H-060碳紙中約90。/。的孔都為孔徑大于20mm的大孔)，因此若直接將其用作PEMFC單電池的氣體擴散層，往往不能實現(xiàn)水和反應氣的有效傳質。因此需要在碳紙或碳布和催化層之間添加一層由碳粉與PTFE的混合物制成的微孔層(Micro-porous layer, MPL)，可以有效地改善PEMFC中水和氣的傳遞，從而降低電池在高電流密度區(qū)的濃差極化，提高電池性能。常見的制備方法是濕法制備微孔層，即用水或水與乙醇等低分子醇的混合物作溶劑，將碳粉與PTFE乳液按照一定的比例超聲波混和均勻，并加熱使其成為具有一定粘度的漿料。再將漿料涂布在經疏水化處理的基底層表面，并在340 35(TC進行燒結處理。由于料漿的比重較大容易滲入到碳紙或碳布的內部，并首先附著在其纖維密集區(qū)，造成微孔層的不均勻。而且濕法制備過程復雜，需要使用大量有機低分子醇。催化層的制備主要有憎水電極、親水電極和超薄層電極三種。傳統(tǒng)的憎水電極由于催化層比較厚，憎水劑含量較大，內阻比較大；而且離子導電聚合物(Nafion)是通過噴入或浸入的方式在催化層表面進入，所以很難保證其充分滲入到催化層內部并與催化劑顆粒充分接
觸，『傳導阻力大。薄層親水電極催化層中沒有疏水劑，氣體通道較少，氣體傳遞阻力較大；而且以Nafion粘結催化劑，在長期工作中其結合強度會逐漸下降，從而降低電極的性能。而超薄層電極則是通過濺射沉積的方法將催化劑制備到電極上，條件比較苛刻，不適于大規(guī)模生產。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池的膜電極及其制備方法，以干法制備擴散層，并采用多層復合結構的催化層制備工藝，有效提高了多孔電極的水氣管理能力和三相反應界面，從而提高燃料電池性能。
其具體技術方案如下一種燃料電池的膜電極，包括氣體擴散層和催化層，所述的催化層為多層復合結構，主要由催化劑、憎水劑以及導電離子聚合物組成；其中所述的導電離子聚合物在各催化層間的含量不同；所述多層復合結構為在氣體擴散層上涂布有部分憎水催化層和/或憎水催化層，其上涂布有親水催化層。通過改變導電離子聚合物在各催化層間的含量可以實現(xiàn)各層之間的不同的親疏水性。
所述的兩層催化層結構中，所述的部分憎水催化層，主要由第一催化劑、憎水劑和導電離子聚合物組成；所述的憎水催化層，由催化劑與憎水劑組成；所述的親水催化層，主要由第二催化劑和導電離子聚合物組成。在所述的親水催化層中，不使用憎水劑，從而減小了電極的內阻。
所述的部分憎水催化層和/或憎水催化層的厚度為5 15 ^，所述的親水催化層的厚度為1 5，
所述第一催化劑與第二催化劑可以是同一種催化劑，也可以是不同的催化劑，其可以是碳載鉑、鉑黑或合金催化劑，所述的合金催化劑可以由下述金屬的至少兩種組成Pt、 Pd、 Au、 Fe、 Co、 Rh、 Ni、 Sn、 Ru等活性金屬。
所述導電離子聚合物是全氟磺酸樹酯(Nafion溶液)，或經過磺化處理的聚醚醚酮(S-PEEK)、聚砜(S-PS)。
所述憎水劑為聚四氟乙烯(PTFE)乳液，聚偏氟乙烯(PVDF)乳液，氟化乙丙烯(FEP )乳液，或聚三氟氯乙烯(PCTFE)懸浮液。
一種燃料電池膜電極的制備方法，其主要步驟如下
1) 將多孔基層浸入1% 20%的含氟聚合物乳液中充分潤濕后，取出干燥；重復上述步驟直到含氟聚合物的含量達到5% 60%，然后在高溫烘箱中200 38(TC熱處理10 60min;
2) 稱取質量比為10: 0.5-10的導電碳粉末與含氟聚合物粉末，高速球磨混合均勻，得到復合粉料，接著將復合粉料涂布到多孔基層上，制得微孔層，從而制得氣體擴散層然后將制得的氣體擴散層置于高溫烘箱中200 38(TC熱處理10 60min;
3) 將催化劑與低分子醇按照l: 1 50的質量比混合，超聲攪拌l 20min后，制得墨水狀料漿，然后按照催化劑/憎水劑為l 10: l的質量比向上述料漿中加入憎水劑，接著超聲攪拌30 60min后，涂布到步驟2)制備的氣體擴散層上，然后在高溫烘箱中，在150 40(TC 下燒IO 60min后，制得催化層；和/或按照導電離子聚合物/分散劑為l: 1 5的質量比混合均勻后，涂布到上述催化層上，然后置于真空干燥箱中60 12(TC干燥1 10h，制得部分憎水催化層和/或憎水催化層；
4) 將催化劑與低分子醇按照l: 1 50的質量比混合，制得料漿，接著按照催化劑/導電離子聚合物為1 5: l的質量比向上述料漿中加入導電離子聚合物，超聲攪拌30 60min后，制得混合料漿，接著將上述混合料漿涂布到步驟3)中的部分憎水催化層和/或憎水催化層上，然后置于真空干燥箱中60 12(TC干燥1 10h，制得親水催化層，從而制得電極；
5) 將步驟4)制得的電極與質子交換膜熱壓后制得膜電極。
步驟3)所述的在高溫烘箱中烘干是指在惰性氣氛或真空條件下進行。
所述的分散劑為低分子醇，所述的低分子醇可以是乙醇、乙二醇、1， 2-丙二醇、丙三醇、異丙醇的一種或幾種的混合物。
所述含氟聚合物乳液為聚四氟乙烯(PTFE)乳液，聚偏氟乙烯(PVDF)乳液，氟化乙丙烯(FEP)乳液，或聚三氟氯乙烯(PCTFE)懸浮液。
所述含氟聚合物粉末為聚四氟乙烯(PTFE)粉末，，聚偏氟乙烯(PVDF)粉末，氟化乙丙烯(FEP)粉末，聚三氟氯乙烯(PCTFE)粉末，或四氟乙烯與乙烯的共聚物(ETFE)粉末所述導電碳粉末，可以是碳粉、石墨、富勒烯(C60)、乙炔黑、活性碳、碳納米管、碳納米纖維、碳納米顆?；蚱浠旌衔?。所述的多孔基層為碳紙或碳布。
所述的涂布可以采用絲網印刷、噴涂、滾壓或刮涂等方式，其中第一、第二或其他催化層可以采用相同的制備方法，也可以采用不同的制備方法。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明主要具有下述優(yōu)點1)本發(fā)明使用干法制備氣體擴散層，不使用任何有機溶劑，制備工藝簡單，不存在微孔層料漿滲透問題，并且干法制備的微孔層無裸露大孔，分布均勻；2)本發(fā)明的微孔層親疏水可控可調，可以與燃料電池的運行條件匹配；3)本發(fā)明所制備的氣體擴散層平整度很好，能夠使催化層更好的復合在氣體擴散層上，減小了接觸電阻，提高了電池綜合性能；4)本發(fā)明的復合催化層結構由于導電離子聚合物的濃度在各催化層間的含量不同，使催化劑與導電離子聚合物能夠均勻接觸，有利于改善質子傳導的效率，提高催化劑利用率，顯著提高電池性能。

圖l是本發(fā)明的燃料電池膜電極結構示意圖，l為多孔基層，2為微孔層，3為部分憎水催化層，4為親水催化層；圖2是本發(fā)明又一優(yōu)選實施例的燃料電池膜電極結構示意圖，l為多孔基層，2為微孔層，3為部分憎水催化層，4為親水催化層，5為憎水催化層；
圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例制備的燃料電池的膜電極與對比例的膜電極性能比較圖，測試條件為氫空常壓，電池溫度6(TC，氫氣過量系數(shù)為1.2，空氣過量系數(shù)2.6，飽和增濕。
具體實施例
下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細的說明，但不限于本實施例的內容。實施例l:
將PVDF乳液稀釋至3。/。，然后將碳紙(Toray TGPH-090)放入所配置的乳液中浸泡2分鐘，取出后吹風機吹干，反復3 4次至PVDF的含量為20。/。，然后放入高溫烘箱中20(TC燒50分鐘
稱取2gXC-72碳粉與0. 5gPVDF粉末，放入高速球磨機中，研磨2分鐘(25000轉/分鐘)。將處理好的復合干粉采用刮涂的方式涂布到經過疏水處理的碳紙表面，碳粉擔量2. 0mg/cm2 。然后放入高溫烘箱中20(TC燒50分鐘。在微孔層表面涂布部分憎水催化劑層(陽極載量0.2mg/cm」，陰極載量O. 5mg/cm」)。稱取^1^'^1^。'？1''0;催化劑放入燒杯中，加入少量去離子水將催化劑浸濕，按30ml無水乙
醇/g催化劑加入無水乙醇，超聲混合均勻并攪拌10分鐘料漿呈墨水狀，然后按照Pt/C: PVDF (干重)=3: 1，稱取PVDF乳液加到料漿中，繼續(xù)超聲并攪拌30分鐘，均勻后在90 95 。C的熱水中充分攪拌5分鐘。配好的料漿采用絲網涂布的方式涂布到已經制備好的擴散層上，然后放入高溫烘箱中20(TC燒30分鐘后，制得催化層。稱取20。/?；腔勖衙淹芤?00mg，按照質子導體溶液分散劑=1: l的重量比加入異丙醇，超聲混合30分鐘至完全均勻，在真空度為0.02MPa下用噴槍噴涂到在上述催化層上至部分增水層厚度為15 ^ ，然后將這一中間產品放置于真空干燥箱中8(TC干燥4小時，完成部分憎水催化層的制備。
如前所述將Pt/C催化劑與無水乙醇混合成均勻漿料，按照Pt/C:導電離子聚合物樹酯干重=1: 1，稱取S-PEEK的導電聚合物樹酯溶液滴加到上述料漿中，超聲攪拌30分鐘，得到可用料漿。在真空度為O. 02 0. 03MPa下用噴槍將上述料漿分三次噴涂到在部分憎水催化層上得到厚度為l ^的親水催化層，并在真空干燥箱中8(TC干燥4小時，完成電極制備，其結構如圖1所述。
將制備好的電極與質子交換膜熱壓得到膜電極并進行單電池測試，結果見圖3所示。實施例2:
將PTFE乳液稀釋至3。/。，然后將碳布(NOK， H2315)放入所配置的乳液中浸泡2分鐘，取出后吹風機吹干，反復3 4次至PTFE的含量為20。/。，然后放入高溫烘箱中35(TC燒50分鐘。
稱取5g碳納米纖維與1. 5gPTFE粉末，放入高速球磨機中，研磨l分鐘(20000轉/分鐘) 。將處理好的復合干粉采用靜電噴涂和滾壓的方式涂布到經過疏水處理的碳紙表面，碳粉擔量3. 0mg/cm2。然后放入高溫烘箱中35(TC燒50分鐘。
在微孔層表面涂布憎水催化劑層(陽極載量O. lmg/cm2，陰極載量0.4mg/cm2)。稱取 hhn' Mattlicy'Pt/e催化劑放入燒杯中，加入少量去離子水將催化劑浸濕，按50ml異丙醇/g 催化劑加入異丙醇，超聲混合均勻并攪拌10分鐘料漿呈墨水狀，然后按照Pt/C: PTFE (干重 )=2: 1，稱取PTFE乳液加到料漿中，繼續(xù)超聲并攪拌30分鐘，均勻后在90 95。C的熱水中充分攪拌5分鐘。配好的料漿采用絲網涂布的方式涂布到已經制備好的擴散層上，然后放入高溫烘箱中氮氣保護下35(TC燒30分鐘。
在上述中間產品上制備部分憎水催化層。稱取PtRuC (田中貴金屬)催化劑并與50gl，2-丙二醇混合超聲攪拌均勻，然后按照Pt/C: PTFE (干重)=5: 1，稱取PTFE乳液加到料漿中，繼續(xù)超聲并攪拌30分鐘得到均勻料漿。采用絲網印刷將料漿涂布到憎水催化層上，放入高溫烘箱中氮氣保護下35(TC燒30分鐘。稱取5。/。的Nafion溶液300mg，按照質子導體溶液分散劑=1: l的重量比加入無水乙醇，超聲混合30分鐘至完全均勻，在真空度為0.02MPa下用噴槍噴涂到在部分憎水催化層上，然后將這一中間產品放置于真空干燥箱中8(TC干燥4小時，完成部分憎水催化層的制備。
如前所述將Pt/C催化劑與l， 2-丙二醇混合成均勻漿料，按照Pt/C:導電離子聚合物樹酯干重=1: 1，稱取Nafion的導電聚合物樹酯溶液滴加到上述料漿中，超聲攪拌30分鐘，得到可用料漿。在真空度為O. 03MPa下用噴槍將上述料漿分三次噴涂到在部分憎水催化層上得到親水催化層，并在真空干燥箱中8(TC干燥4小時，完成電極制備，其結構如圖2所述。
將制備好的電極與質子交換膜熱壓得到膜電極并進行單電池測試，結果見圖3所示。
實施例3:
將PTFE乳液稀釋至P/。，然后將碳紙(Toray TGPH-090)放入所配置的乳液中浸泡2分鐘，取出后烘箱中干燥，反復5 6次至PTFE的含量為50。/。，然后放入高溫烘箱中35(TC燒50分鐘
稱取5g乙炔黑與1. 5gPTFE粉末，放入高速球磨機中，研磨l分鐘(20000轉/分鐘)。將處理好的復合干粉采用靜電噴涂和滾壓的方式涂布到經過疏水處理的碳紙表面，乙炔黑擔量 1. 0mg/cm2。然后放入高溫烘箱中35(TC燒50分鐘。
在微孔層表面涂布憎水催化劑層(陽極載量O. lmg/cm2，陰極載量0.4mg/cm2)。稱取 hhn' Mattlicy'Pt/C催化劑放入燒杯中，加入少量去離子水將催化劑浸濕，按50ml乙二醇/g 催化劑加入異丙醇，超聲混合均勻并攪拌10分鐘料漿呈墨水狀，然后按照Pt/C: PTFE (干重 )=5: 1，稱取PTFE乳液加到料漿中，繼續(xù)超聲并攪拌30分鐘，均勻后在90 95。C的熱水中充分攪拌10分鐘。配好的料漿采用絲網涂布的方式涂布到已經制備好的擴散層上，然后放入高溫烘箱中氮氣保護下35(TC燒30分鐘。
在上述中間產品上制備部分憎水催化層。稱取PtC (田中貴金屬)催化劑并與50g乙二醇混合超聲攪拌均勻，然后按照Pt/C: PTFE (干重)=5: 1，稱取PTFE乳液加到料漿中，繼續(xù) 超聲并攪拌30分鐘得到均勻料漿。采用絲網印刷將料漿涂布到憎水催化層上，放入高溫烘箱中氮氣保護下350。C燒30分鐘。稱取5。/。的Nafion溶液300mg，按照質子導體溶液分散劑=1:l的重量比加入乙二醇，超聲混合30分鐘至完全均勻，在真空度為0.05MPa下用噴槍噴涂到在部分憎水催化層上，然后將這一中間產品放置于真空干燥箱中8(TC干燥8小時，完成部分憎水催化層的制備。
如前所述將PtAu/C催化劑與乙二醇混合成均勻漿料，按照PtAu/C:導電離子聚合物樹酯干重=3: 1，稱取Nafion的導電聚合物樹酯溶液滴加到上述料漿中，超聲攪拌30分鐘，得到可用料漿。在真空度為O. 02MPa下用噴槍將上述料漿分三次噴涂到在部分憎水催化層上得到親水催化層，并在真空干燥箱中8(TC干燥4小時，完成電極制備，其結構如圖2所述。
將制備好的電極與質子交換膜熱壓得到膜電極并進行單電池測試，結果見圖3所示。
實施例4:
將PCTFE懸浮液稀釋至10。/。，然后將碳紙(Toray TGPH-090)放入所配置的乳液中浸泡2 分鐘，取出后吹風機吹干，反復2 3次至PCTFE的含量為40。/。，然后放入高溫烘箱中30(TC燒 30分鐘。
稱取2g納米碳粉與0. 5gPCTFE粉末，放入高速球磨機中，研磨5分鐘(30000轉/分鐘)。將處理好的復合干粉采用刮涂的方式涂布到經過疏水處理的碳紙表面，碳粉擔量1.2mg/cm2 。然后放入高溫烘箱中30(TC燒30分鐘。
在微孔層表面涂布部分憎水催化劑層(陽極載量0.5mg/cm2，陰極載量O. 8mg/cm2)。稱取hhn' Mattlicy'Pt/C催化劑放入燒杯中，加入少量去離子水將催化劑浸濕，按30ml無水乙醇/g催化劑加入無水乙醇，超聲混合均勻并攪拌10分鐘料漿呈墨水狀，然后按照Pt/C: PTFE (干重)=4: 1，稱取PTFE乳液加到料漿中，繼續(xù)超聲并攪拌30分鐘，均勻后在90 95 。C的熱水中充分攪拌5分鐘。配好的料漿采用絲網涂布的方式涂布到已經制備好的擴散層上，然后放入高溫烘箱中35(TC燒30分鐘，制得催化層。稱取10。/?；腔垌咳芤?00mg，按照質子導體溶液分散劑=1: l的重量比加入l， 2-丙二醇，超聲混合30分鐘至完全均勻，在真空度為O. 02MPa下用噴槍噴涂到在上述催化層上，然后將這一中間產品放置于真空干燥箱中80 'C干燥4小時，完成部分憎水催化層的制備。
如前所述將PtFe/C催化劑與無水乙醇混合成均勻漿料，按照PtFe/C:導電離子聚合物樹酯干重=1: 1，稱取S-PS的導電聚合物樹酯溶液滴加到上述料漿中，超聲攪拌30分鐘，得到可用料漿。在真空度為O. 02 0. 03MPa下用噴槍將上述料漿分三次噴涂到在部分憎水催化層上得到親水催化層，并在真空干燥箱中8(TC干燥8小時，完成電極制備，其結構如圖l所述。將制備好的電極與質子交換膜熱壓得到膜電極。實施例5:
將PTFE乳液稀釋至20。/。，然后將碳布(NOK， H2315)放入所配置的乳液中浸泡2分鐘，取出后吹風機吹干，反復2 3次至PTFE的含量為60。/。，然后放入高溫烘箱中38(TC燒10分鐘。
稱取10g石墨和富勒烯、0. 5gETFE粉末，放入高速球磨機中，研磨5分鐘(30000轉/分鐘 )。將處理好的復合干粉采用刮涂的方式涂布到經過疏水處理的碳布表面，碳粉擔量 1.2mg/cm2，然后放入高溫烘箱中38(TC燒60分鐘，制得氣體擴散層。
部分憎水催化層和親水催化層的制備同實施例4。
將制備好的電極與質子交換膜熱壓得到膜電極。
實施例6:
氣體擴散層的制備同實施例l。
稱取^hn'Mattlicy'Pt/e催化劑放入燒杯中，加入少量去離子水將催化劑浸濕，按lml
丙三醇/g催化劑加入丙三醇，超聲混合均勻并攪拌l分鐘料漿呈墨水狀，然后按照Pt/C: FEP (干重)=1: 1，稱取FEP乳液加到料漿中，繼續(xù)超聲并攪拌60分鐘，均勻后在90 95。C 的熱水中充分攪拌5分鐘。配好的料漿采用絲網涂布的方式涂布到已經制備好的擴散層上，然后放入高溫烘箱中，在40(TC、氮氣氣氛下燒10分鐘，制得催化層。稱取10%磺化聚砜溶液 100mg，按照質子導體溶液分散劑=1: 5的重量比加入異丙醇，超聲混合30分鐘至完全均勻，在真空度為0.02MPa下用噴槍噴涂到在上述催化層上至部分憎水層厚度為5 ^ ，然后將這一中間產品放置于真空干燥箱中6(TC干燥10小時，完成部分憎水催化層的制備。
如前所述將PtFe/C催化劑與無水乙醇混合成均勻漿料，按照PtFe/C:導電離子聚合物樹酯干重=5: 1，稱取磺化聚砜溶液滴加到上述料漿中，超聲攪拌60分鐘，得到可用料漿。在真空度為O. 02MPa下用噴槍將上述料漿分三次噴涂到在部分憎水催化層上得到厚度為3 ^ 的親水催化層，并在真空干燥箱中12(TC干燥1小時，完成電極制備，其結構如圖l所述。
將制備好的電極與質子交換膜熱壓得到膜電極。
實施例7:
氣體擴散層的制備同實施例l。
稱取^hn'Mattlicy'Pt/e催化劑放入燒杯中，加入少量去離子水將催化劑浸濕，按15mll， 2-丙二醇/g催化劑加入l， 2-丙二醇，超聲混合均勻并攪拌15分鐘料漿呈墨水狀，然后按照Pt/C: FEP (干重)=10: 1，稱取FEP乳液加到料漿中，繼續(xù)超聲并攪拌45分鐘，均勻后在90 95。C的熱水中充分攪拌5分鐘。配好的料漿采用絲網涂布的方式涂布到已經制備好的擴散層上，然后放入高溫烘箱中，在15(TC、真空條件下燒60分鐘，制得催化層。稱取 10呢磺化聚砜溶液100mg，按照質子導體溶液分散劑=1: 3的重量比加入丙三醇，超聲混合 30分鐘至完全均勻，在真空度為O. 02MPa下用噴槍噴涂到在上述催化層上至部分憎水層厚度為IO ^ ，然后將這一中間產品放置于真空干燥箱中12(TC干燥1小時，完成部分憎水催化層的制備。
如前所述將PtFe/C催化劑與l， 2-丙二醇混合成均勻漿料，按照PtFe/C:導電離子聚合物樹酯干重=2: 1，稱取磺化聚砜溶液滴加到上述料漿中，超聲攪拌50分鐘，得到可用料漿。在真空度為O. 02MPa下用噴槍將上述料漿分三次噴涂到在部分憎水催化層上得到厚度為
1 ^的親水催化層，并在真空干燥箱中6(TC干燥10小時，完成電極制備，其結構如圖l所述。
將制備好的電極與質子交換膜熱壓得到膜電極。實施例8:
將FEP乳液稀釋至P/。，然后將碳布(NOK， H2315)放入所配置的乳液中浸泡2分鐘，取出后吹風機吹干，反復2 3次至FEP的含量為5。/。，然后放入高溫烘箱中26(TC燒60分鐘。
稱取lg活性碳和碳納米管、lgFEP粉末，放入高速球磨機中，研磨5分鐘(30000轉/分鐘 )。將處理好的復合干粉采用刮涂的方式涂布到經過疏水處理的碳布表面，碳粉擔量 1.2mg/cm2，然后放入高溫烘箱中23(TC燒45分鐘，制得氣體擴散層。
部分憎水催化層和親水催化層的制備同實施例7。
將制備好的電極與質子交換膜熱壓得到膜電極。
比較例
采用濕法制備微孔層，稱取5g碳黑(Vulcan XC-72)，加入100gl， 2-丙二醇，緩慢攪拌后超聲波分散30分鐘，再加入10g 20wt"/。的PTFE乳液，在玻璃棒緩慢攪拌冰水冷卻條件下超聲分散30分鐘，然后用絲網涂布到碳紙表面，365。C干燥，制得微孔層，Vulcan XC-72的上載量為陰極為l. 5mg/cm2;陽極l. 7mg/cm2。
催化層采用傳統(tǒng)憎水電極，在氣體擴散層表面涂布Pt/C催化劑層(陽極載量0.4mg/cm2，陰極載量0.9mg/cm"，并噴涂Nafion溶液進行立體化形成電極，然后用熱壓機將陰陽極中間夾持質子膜熱壓成MEA，測試其性能，如圖3所示。
權利要求
1.一種燃料電池的膜電極，包括氣體擴散層和催化層，其特征在于所述的催化層為多層復合結構，主要由催化劑、憎水劑以及導電離子聚合物組成；其中所述的導電離子聚合物在各催化層間的含量不同；所述多層復合結構為在氣體擴散層上涂布有部分憎水催化層和/或憎水催化層，其上涂布有親水催化層。
2.根據(jù)權利要求l所述的燃料電池的膜電極，其特征在于所述的部分憎水催化層主要由第一催化劑、憎水劑和導電離子聚合物組成；所述的憎水催化層由催化劑與憎水劑組成；所述的親水催化層主要由第二催化劑和導電離子聚合物組成。
3.根據(jù)權利要求l所述的燃料電池的膜電極，其特征在于所述的部分憎水催化層和/或憎水催化層的厚度為5 15 ^ ，所述的親水催化層的厚度為1 5 ^ 。
4.根據(jù)權利要求l所述的燃料電池的膜電極，其特征在于所述導電離子聚合物是全氟磺酸樹酯或經過磺化處理的聚醚醚酮、聚砜。
5.根據(jù)權利要求l所述的燃料電池的膜電極，其特征在于所述憎水劑為聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液、氟化乙丙烯乳液或聚三氟氯乙烯懸浮液。
6. 一種燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于采用如下步驟制得1) 將多孔基層浸入l。/。 20wt。/。的含氟聚合物乳液中充分潤濕后，取出干燥；重復上述步驟直到含氟聚合物的含量達到5。/。 60wt %，然后在高溫烘箱中200 38(TC熱處理10 60min;2) 稱取質量比為10: 0.5-10的導電碳粉末與含氟聚合物粉末，高速球磨混合均勻，得到復合粉料，接著將復合粉料涂布到多孔基層上，制得微孔層，從而制得氣體擴散層，然后將制得的氣體擴散層置于高溫烘箱中200 38(TC熱處理10 60min;3) 將催化劑與低分子醇按照l: 1 50的質量比混合，超聲攪拌l 20min后，制得墨水狀料漿，然后按照催化劑/憎水劑為l 10: l的質量比向上述料漿中加入憎水劑，接著超聲攪拌30 60min后，涂布到步驟2)制備的氣體擴散層上，然后在高溫烘箱中，在150 40(TC 下燒IO 60min后，制得催化層；和/或按照導電離子聚合物/分散劑為l: 1 5的質量比混合均勻后，涂布到上述催化層上，然后置于真空干燥箱中60 12(TC干燥1 10h，制得部分憎水催化層和/或憎水催化層；4) 將催化劑與低分子醇按照l: 1 50的質量比混合，制得料漿，接著按照催化劑/導電離子聚合物為1 5: l的質量比向上述料漿中加入導電離子聚合物，超聲攪拌30 60min后，制得混合料漿，接著將上述混合料漿涂布到步驟3)中的部分憎水催化層上，然后置于真空干燥箱中60 12(TC干燥l 10h，制得親水催化層，從而制得電極；5) 將步驟4)制得的電極與質子交換膜熱壓后制得膜電極。
7.根據(jù)權利要求7所述的燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于步驟3)所述的在高溫烘箱中烘干是指在惰性氣氛或真空條件下進行。
8.根據(jù)權利要求7所述的燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述含氟聚合物乳液為聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液、氟化乙丙烯乳液或聚三氟氯乙烯懸浮液；所述含氟聚合物粉末為聚四氟乙烯粉末、聚偏氟乙烯粉末、氟化乙丙烯粉末、聚三氟氯乙烯粉末或四氟乙烯與乙烯的共聚物粉末。
9.根據(jù)權利要求7所述的燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述導電碳粉末是碳粉、石墨、富勒烯、乙炔黑、活性碳、碳納米管、碳納米纖維、碳納米顆 ?；蚱浠旌衔铩?br> 10.根據(jù)權利要求7所述的燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述的分散劑為低分子醇。
11.根據(jù)權利要求7或11所述的燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述的低分子醇是乙醇、乙二醇、1， 2-丙二醇、丙三醇、異丙醇的一種或幾種的混合物。
12.根據(jù)權利要求7所述的燃料電池膜電極的制備方法，其特征在于所述的多孔基層為碳紙或碳布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料膜電極及其制備方法。所述的膜電極包括氣體擴散層和催化層，其中所述的催化層為多層復合結構，主要由催化活性金屬、憎水劑以及導電離子聚合物組成；其中所述的導電離子聚合物在各催化層間的含量不同；所述多層復合結構至少為兩層結構，其中第一層為部分憎水催化層，第二層是親水催化層。本發(fā)明還公開了一種燃料電池膜電極的制備方法，其中擴散層采用干法制備，本發(fā)明的膜電極結構，具有更好的水氣管理能力，傳質更加均勻、穩(wěn)定，同時具有良好的導電子、質子能力，增加了催化劑的利用率，提高了燃料電池的電輸出性能。
文檔編號H01M2/16GK101557001SQ20081030097
公開日2009年10月14日申請日期2008年4月10日優(yōu)先權日2008年4月10日
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