一种燃料电池膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池膜电极及其制备方法。该膜电极包含核心包括阳极扩散层，阳极催化层，电解质层，阴极催化层，阴极扩散层。其中阳极扩散层由多孔材料组成；催化层由催化剂、离子聚合物和添加剂组成；电解质层为离子聚合物直接成膜形成的隔膜。阴极催化层中催化剂活性物质和离子聚合物含有一种或以上种类的催化剂与离子聚合物，阴极催化层中催化剂活性物质和离子聚合物处于梯次梯度分布状态。此外本发明专利技术还公开了一种膜电极制备方法，其催化剂梯度分布于电解质于扩散层之间，电解质层通过直接成膜工艺制备。本发明专利技术制备的膜电极无须使用成品离子交换膜，避免了传统膜电极制备工艺中由于膜的物理化学性质特征而导致的诸如溶胀和断裂等工艺缺陷，原料利用率高，节能高效，成本低廉；且所得产品具有良好的质子、电子、水、气传输能力；较大的功率密度和优异的输出性能。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池膜电极及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池领域，具体来讲涉及一种燃料电池膜电极及其制备工艺。本专利技术也适用于其他金属空气电池，或各类膜式电解池。
技术介绍
燃料电池是一种清洁能源转换装置，具有能量转换效率高，功率密度大，清洁环保等优点，因而被认为是一种是理想的能源转换装置。燃料电池可以等温地将储存燃料中的化学能转换成电能，从而突破传统热循环的限制，因而能量转换效率理论上可以到达100％。燃料电池采用高比能的小分子的能源物质，如氢气、甲醇等，具有较高的能量密度；同时，燃料电池结构紧凑，具有较高的功率密度；运行过程中，燃料电池几乎没有噪声，且没有氮、硫化物排放，当使用氢气作为燃料时，甚至没有碳排放。燃料电池的核心部件包括催化剂，电解质膜，扩散层和双极板。其中催化剂、电解质膜和扩散层组装成五合一或七合一的膜电极。膜电极是燃料电池高效运行的关键部件，燃料和氧化剂在膜电极上发生氧化还原反应产生电力，同时生成水或二氧化碳并经过膜电极排除到燃料电池外。膜电极的性能和制备技术是燃料电池技术的关键技术之一。提高膜电极的电化学性能和改善其制备工艺是进一步推动燃料电池商业化应用的必经之路。为提高膜电极性能，研究者采用涂布、转印、喷涂、刀刮、印刷等多种制备工艺得到多种具有有序化、分级化特征的膜电极，以期提高膜电极性能。邵志刚等【质子交换膜燃料电池电极的一种新的制备方法】将催化剂和添加剂等与碳纸结合制备出气体扩散电极，催化剂等活性物质是直接涂布在碳纸等气体扩散层上的，得到了性能较高的膜电极产品，但该工艺前处理步骤繁多，不利于生产。中国专利CN104979567A公开了一种采用丝网印刷和喷涂工艺结合的制备工艺，得到了一种多层次，梯度式网格结构的膜电极成品。该工艺由于存在明显的层间界面，层间接触电阻不一致且实际工况运行时层级脱落的可能性较大。中国专利CN1492530A公开了一种燃料电池膜电极制备工艺，该工艺采用套色印刷工艺制备得到具有浓度梯度分布的多层催化剂结构的膜电极。但该膜电极的性能仅为0.4-0.5W/cm2，远低于当前1.2-1.5W/cm2的平均值。中国专利CN103779582公开了一种转印制备工艺，该工艺将催化剂先涂覆在聚四氟乙烯等转印介质上，随后将催化剂转印到质子交换膜上。膜电极成品质量与膜电极制备工艺密切相关，当前膜电极制备工艺主要包括扩散层上涂布催化剂工艺，转印介质上涂布催化剂后转印到质子交换膜上工艺，以及在质子交换膜上涂布催化剂三种。这几种工艺存在各自的优点和缺点，前者虽然膜电极稳定性高，但由于催化剂渗透导致贵金属利用率低；转印工艺则存在过程繁琐，质量管控困难；后者膜电极电化学性能高，但由于膜的溶胀等问题造成质量缺陷。综上所述，传统膜电极及其制备工艺依然存在很大的局限性和改进空间。对综合各种工艺的制备技术优缺点，本专利专利技术了一种新型直接成膜工艺，保持了传统气体扩散层涂布工艺的稳定性的优点，避开了传统膜电极制备工艺中由于膜的物理化学性质造成的工艺问题，且保持了较高的膜电极性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种全新的直接成膜工艺及采用该工艺所制备的膜电极。该工艺具有原料利用率高，节能高效，成本低廉；且所得产品具有良好的质子、电子、水、气传输能力；较大的功率密度和优异的输出性能。解决了传统制备工艺中催化剂渗透、质子交换膜变形等问题，避开了质子交换膜的使用，简化了制备工艺。本专利技术所采用的技术方案如下：1.一种燃料电池膜电极，包括阳极扩散层，阳极催化层，电解质层，阴极催化层，阴极扩散层。其特征在于阴、阳极所有扩散层厚度，催化层厚度及离子聚合物组成比例均不同；其中阴极催化层含有一种或以上种类的催化剂与离子聚合物，催化剂与离子聚合物处于梯次梯度分布状态。2.所述的阳极催化层中催化剂为铂碳催化剂；阴极催化层中催化剂包括铂合金催化剂、铂碳催化剂，以及非铂的非贵金属催化剂中的一种或多种。其特征在于，阴极催化剂层较阳极催化层较厚；阴极催化层中催化剂的种类有梯次顺序，各催化剂的含量是梯度分布的；其顺序是通过涂布顺序实现的，含量梯度分布是通过控制催化层厚度或活性物质浓度来控制的；离子聚合物的梯度分布是通过调节离子聚合物用量实现的；阳极催化层厚度为0.5-20um和阴极催化层厚度均为2-20um。3.所述扩散层为包含基底材料的一体化材料，包括但不限于多孔碳材料、金属泡沫材料；更进一步的所述扩散层材料为含有疏水层的为碳纸、碳布、石墨毡、泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛及其改性材料。作为优选的，所述材料为涂有碳粉和(或)聚四氟乙烯的碳纸、碳布等；且其阴极扩散层较阳极扩散层薄。4.所述离子聚合物具有离子导通能力的聚合物，包括但不限于全氟磺酸树脂、磺化聚亚酰胺、磺化聚醚醚酮、磷酸化苯并咪唑等。5.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于催化剂与离子聚合物处于梯次梯度分布状态，电解质层是通过直接成膜工艺制备。其具体制备步骤如下：s1)将非铂催化剂、铂碳催化剂、铂合金催化剂的一种或多种，分别分散于含有离子聚合物和添加剂的低碳醇溶液中，形成不同的墨水。墨水中催化剂质量分数为10％-80％，离子聚合物的质量分数为0.01％-50％。s2)将所得墨水通过刀刮、喷涂、涂布、打印、滚卷、转印、纺丝等方式，依次涂布在规则的扩散层基底上，得到含有催化层得到阴极前驱体。各层厚度尺寸为0-20um,各种催化剂载量为0-2mg/cm2。s3)将具有离子导体功能的离子聚合物分散液和增强体，涂布到阴极前驱体上，形成电解质层并得到阴极半电极。其中离子聚合物分散液浓度为1％-90％，形成的电解质层厚度为1-100um。s4)重复按照步骤s1)，s2)，s3)得到阳极半电极。s5)根据需要将增强体分散液涂布在阴阳半电极的电解质层的一面，或在阴阳半电极上直接均匀贴合成品多孔增强膜。增强体为惰性骨架有机物。本步骤可以实施，也可以不实施。s6)将阴极半电极或半阳极电极裁剪成一定的形状并进行组装，得到膜电极前驱体。组装压力为0.5-10个大气压，组装温度为100-500摄氏度。s7)将步骤6)所得的膜电极前驱体经过热处理，固化处理和压力处理之后得到五合一的目标膜电极。所述热处理温度为100-500摄氏度，时间为0.1-10小时，固化时间为0.1-48小时，处理压力为1-50个大气压。s8)根据产品需要，在步骤6)实施亦可加入密封片，从而形成七合一膜电极。优选的，步骤s1所述低碳醇为甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇的一种或任意混合物等，所述添加剂包括二甲基亚砜、乙腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、铵盐、钠盐、钾盐的一种或任意组合等。优选的，步骤s2所述梯次为非铂催化剂、铂催化剂、铂合金催化剂的任意排列，或为低活性物质含量的催化剂、中活性物质含量的催化剂，以及高活性物质含量的催化剂的任意排列。所得催化层中，各类型催化剂所对应的涂布层具有一定的顺序，不同的层厚，含量和梯度分布。作为优选的，其次序从扩散层到电解质层依次为非贵金属催化剂，铂催化剂，铂合金催化剂；或低活性物质比例的催化剂，中活性物质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池膜电极，包括阳极扩散层，阳极催化层，电解质层，阴极催化层，阴极扩散层。其特征在于阴、阳极所用扩散层厚度，催化层厚度及离子聚合物组成比例均不同；其中阴极催化层中含有一种或多种的催化剂与离子聚合物，催化剂与离子聚合物处于梯次梯度分布状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池膜电极，包括阳极扩散层，阳极催化层，电解质层，阴极催化层，阴极扩散层。其特征在于阴、阳极所用扩散层厚度，催化层厚度及离子聚合物组成比例均不同；其中阴极催化层中含有一种或多种的催化剂与离子聚合物，催化剂与离子聚合物处于梯次梯度分布状态。


2.根据权力要求1所述的阳极催化层中催化剂为铂碳催化剂；阴极催化层中催化剂包括铂合金催化剂，铂碳催化剂，以及不含有铂的非贵金属催化剂中的一种或多种。其特征在于，阴极催化剂层较阳极催化层较厚；阴极催化层中不同种类的催化剂有梯次顺序，各种催化剂的含量是梯度分布的；其梯次顺序是通过涂布顺序实现的，含量梯度分布是通过控制催化层厚度或催化剂的活性物质浓度来控制的；离子聚合物的梯度分布是通过调节离子聚合物用量实现的；阳极催化层厚度为0.5-20um和阴极催化层厚度均为2-20um。


3.根据权利要求1所述燃料电池膜电极，所述扩散层为包含基底材料的一体化材料，包括但不限于多孔碳材料，金属泡沫材料；更进一步的所述扩散层为碳片电极和金属网电极，包括但不限于碳纸，碳布，石墨毡，泡沫镍，泡沫铜，泡沫钛及其改性材料。作为优选的，所述材料为涂有碳粉和(或)聚四氟乙烯的碳纸、碳布等；且用于阴极的扩散层较阳极扩散层薄。


4.根据权力要求1所述离子聚合物为具有离子导通能力的聚合物，包括但不限于全氟磺酸树脂、磺化聚亚酰胺、磺化聚醚醚酮、磷酸化苯并咪唑等的一种及多种。


5.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于催化剂与离子聚合物处于梯次梯度分布状态；电解质层采用直接成膜工艺制备。其具体制备步骤如下：
1)将非铂催化剂、铂碳催化剂、铂合金催化剂的一种或多种，分别分散于含有离子聚合物和添加剂的低碳醇溶液中，形成不同的墨水。墨水中催化剂质量分数为10％-80％，离子聚合物的质量分数为0.01％-50％。
2)将所得墨水通过刀刮、喷涂、涂布、打印、滚卷、转印、纺丝等方式，依次涂布在规则的扩散层基底上，得到含有催化层得到阴极前驱体。各层厚度尺寸为0-20um,各种催化剂载量为0-2mg/cm2。当含量为0时，代表该物种不存在。
3)将具有离子导体功能的离子聚合物分散液和增强体，通过刀刮、喷涂、涂布、打印、滚卷、转印、纺丝等方式，涂布到阴极前驱体上形成电解质层并得到阴极半电极。其中离子聚合物分散液浓度为1％-90％，形成的电解质层厚度为1-100um。
4)重复按照步骤1)，2)，3)得到阳极半电极。
5)将增强体分散液，涂布在阴阳半电极的电解质层的一面；或在阴阳半电极上直接均匀贴合成品多孔增强膜。增强体为惰性骨架有机物，包括但不限于各类树脂分散液及其构成...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁俊杰，余金礼，
申请(专利权)人：武汉绿知行环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42