CN101645508A - 一种质子交换膜燃料电池用膜电极 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池用膜电极 Download PDF

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付宇
潘欢欢
吴洪亮
孙佰文
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Abstract

一种质子交换膜燃料电池用膜电极，由在质子交换膜两侧涂布催化层构成，其特征在于所述在质子交换膜两侧涂布的催化层，催化层与流场相对应的不同区域，催化层的催化剂的担载量不同：在质子交换膜与流场的凹槽相对应的区域，即质子交换膜的与流场的反应气流道相对应的区域，催化层担载正常量的催化剂；在质子交换膜的与流场的凸起部分相对应的区域，催化层的催化剂担载量为正常量的0～80％。本发明的优点是：可以大幅度节约贵金属催化剂的用量，降低电池成本，并且有利于膜的润湿和保持CCM的均匀性和稳定性。

Description

一种质子交换膜燃料电池用膜电极
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池膜电极(Catalyst Coated Membrance，CCM)。
背景技术
质子交换膜燃料电池中膜电极是质子交换膜燃料电池的核心组件，膜电极主要由质子交换膜、催化层及扩散层组成。目前应用的膜电极主要有五合一膜电极、三合一膜电极(CCM)等几种，在电极中催化层一般处于扩散层和质子交换膜之间。催化层是由电催化剂(如Pt/C、Pt、Pd或其复合物等)及固体聚合物电解质(如Nafion等)构成。扩散层一般是经过憎水处理的碳纸或碳布。
CCM是将阴、阳极催化剂直接涂敷到电解质膜上形成的三合一电极结构。现有公开报道的CCM结构一般采用在电活性区域整面涂布催化剂的方法来制备催化层(US5330860，USP5415888，US5316871，US5234777)。
文献CN1269428A公开了将催化剂与质子导体聚合物混合制成的粉末，直接整面热压到质子交换膜上，形成CCM三合一组件的技术。以上方法的缺点是电催化剂用量较大，成本较高。
文献CN 1560950A公开了采用激光打印技术制备膜电极的技术，该技术虽可制备所需不同结构的CCM，但由于膜层太薄，膜在输送过程中容易发热变形，使打印图案发生偏移，不利于得到理想图案。
也有采用间接法合成复合膜电极的。如文献CN1560949A公开的技术，是通过精细涂布或丝网印刷技术将料浆涂敷到转移介质上，然后通过热压将催化剂层转移到质子交换膜上制备质子交换膜燃料电池用超薄膜电极。虽然在转移过程中去除了溶剂，减少了膜溶胀现象。但缺点是工艺复杂，催化剂用量大，大面积催化剂结构必然使催化剂在膜上造成部分浪费，不能有效利用，且在转移过程中贵金属催化剂浪费现象严重。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池用膜电极(CCM)及其制备方法，在质子交换膜的部分区域担载正常量的催化剂，其它区域减少催化剂的担载量或不担载催化剂，从而在不影响膜电极电性能的前提下达到减少催化剂用量，降低成本的目的。
本发明的目的是通过以下的技术措施实现的：一种质子交换膜燃料电池用膜电极，由在质子交换膜两侧涂布催化层构成，其特征在于所述在质子交换膜两侧涂布的催化层，催化层与流场的不同区域相对应的位置，催化层的催化剂的担载量不同：在质子交换膜的与流场的凹槽相对应的区域，即质子交换膜的与流场的反应气流道相对应的区域，催化层担载正常量的催化剂；在质子交换膜的与流场的凸起部分相对应的区域，催化层的催化剂担载量为正常量的0～80％。
本发明所述一种质子交换膜燃料电池用膜电极，其特征在于所述催化层的催化剂为Pt、Pd、Ru和Ir金属催化剂中的一种或几种，或者是Pt/C、Pd/C、Ru/C、Ir/C碳载催化剂中的一种或几种。
本发明所述一种质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法，包括在质子交换膜两侧涂布催化层和催化层涂布完的后处理，其特征在于所述在质子交换膜两侧涂布催化层包括以下步骤：
a、先制备催化剂担载量为正常量的催化层浆料，待用，然后制备催化剂担载量为正常量的0～80％的催化层浆料，并将催化剂担载量为正常量的0～80％的催化层浆料均匀涂布在质子交换膜两侧，晾干，
b、制备流场模具，模具镂空部分与流场气体流道部分对应，
c、将模具与经过步骤a涂布过催化剂担载量为正常量的0～80％的催化层浆料的质子交换膜对齐并固定，
d、将制备好的正常催化剂担载量的催化层浆料涂敷在经步骤c的模具镂空部分的质子交换膜上，使该处催化剂的担载量达到正常水平，
e、将经过步骤d涂敷过催化层浆料的质子交换膜从模具上取出并进行后处理，制得膜电极。
本发明所述一种质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于所述的制备流场模具的材料是金属材料、塑料或者木质材料。
本发明的优点是：
(1)减少了贵金属催化剂的担载量，从而大大降低成本；
(2)与质子交换膜接触的流场凸起区域减少贵金属催化剂的担载量或不担载催化剂，与该区域对应的质子交换膜可与水更好接触，从而有利于膜的润湿，增强电池性能；
(3)由于催化剂在膜上涂敷面积减少，降低了膜的溶胀变形率，有利于保障CCM的均匀性和稳定性。
附图说明
本发明共有附图一幅，是本发明的膜电极的结构示意图，
附图中，1、质子交换膜，2、流场，3、流场凸起，4、流场气体流道，5、催化剂层。
具体实施方式
实施实例1
制备条形流场模具，使模具条形镂空部分刚好与流场气体流道部分对应，将模具与质子交换膜对齐固定。将5％的Nation溶液与20％的Pt/C按1∶3的质量配比超声波振荡，混合均匀，再往其中添加去离子水和甘油，经超声波混合均匀后，再往其中添加少量5％的NaOH溶液，形成墨水状溶液，将上述溶液直接喷涂到Na型PEM上，在160～190℃下烘干；用同样的方法在PEM另一侧喷涂墨水状溶液，并烘干，形成薄层CCM；将制得的CCM在0.5mol/L H2SO4中煮1h，钠型PEM转变为氢型PEM，再用去离子水清洗，烘干。在质子交换膜上形成条形催化剂层。
实施实例2
制备条形流场模具，使模具条形镂空部分刚好与流场气体流道部分对应，将模具与质子交换膜对齐固定。采用一级天平称取催化剂Pt 20mg，IrO2 20mg，加入1.6g 5％的Nation溶液，超声波振荡40min混合均匀，再往其中添加去离子水和甘油，经超声波混合均匀后，再往其中添加少量5％的NaOH溶液，形成墨水状溶液，将上述溶液直接喷涂到Na型PEM上，在160～190℃下烘干；用同样的方法在PEM另一侧喷涂墨水状溶液，并烘干，形成薄层CCM；将制得的CCM在0.5mol/L H2SO4中煮1h，钠型PEM转变为氢型PEM，再用去离子水清洗，烘干。在质子交换膜上形成条形催化剂层。
实施实例3
采用等离子溅射法，先在整个膜的表面沉积一层厚度为500nm的Pt。然后制备条形流场模具，使模具条形镂空部分刚好与流场气体流道部分对应，将模具与质子交换膜对齐固定。再采用等离子溅射法，在膜表面沉积一层厚度为500nm的Pt，再在Pt表面浸渍Nation/C/异丙醇溶液，干燥后再溅射Pt，如此反复3次，CCM与流场流道对应处催化层厚度为3～6μm，Pt的载量为0.043mg/cm2，而流场凸起处对应的膜上催化剂担载量为其他部位的25％。

Claims (4)

1、一种质子交换膜燃料电池用膜电极，由在质子交换膜两侧涂布催化层构成，其特征在于所述在质子交换膜(1)两侧涂布的催化层(5)，在与流场(2)不同区域相对应的位置，催化层(5)的催化剂的担载量不同：在质子交换膜的与流场的凹槽相对应的区域，即质子交换膜与流场的反应气流道(4)相对应的区域，催化层担载正常量的催化剂，在质子交换膜与流场的凸起(3)部分相对应的区域，催化层的催化剂担载量为正常量的0～80％。
2、根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池用膜电极，其特征在于所述催化层的催化剂为Pt、Pd、Ru和Ir金属催化剂中的一种或几种，或者是Pt/C、Pd/C、Ru/C、Ir/C碳载催化剂中的一种或几种。
3、权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法，包括在质子交换膜两侧涂布催化层和催化层涂布完的后处理，其特征在于所述在质子交换膜两侧涂布催化层包括以下步骤：
a、先制备催化剂担载量为正常量的催化层浆料，待用，然后制备催化剂担载量为正常量的0～80％的催化层浆料，并将催化剂担载量为正常量的0～80％的催化层浆料均匀涂布在质子交换膜两侧，晾干，
b、制备流场模具，模具镂空部分与流场气体流道部分对应，
c、将模具与经过步骤a涂布过催化剂担载量为正常量的0～80％的催化层浆料的质子交换膜对齐并固定，
d、将制备好的正常催化剂担载量的催化层浆料涂敷在经步骤c的模具镂空部分的质子交换膜上，
e、将经过步骤d涂敷过催化层浆料的质子交换膜从模具上取出并进行后处理，制得膜电极。
4、根据权利要求3所述一种质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于所述的制备流场模具的材料是金属材料、塑料或者木质材料。
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