一种抗水淹高性能膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种抗水淹高性能膜电极的制备方法，属于燃料电池领域，包括如下步骤：制备阴、阳极催化剂浆料；制得的阴、阳极催化剂浆料分别涂布在质子交换膜的两侧形成阴、阳极催化层；制备阴、阳极疏水膜浆料；制得的阴、阳极疏水膜浆料分别涂布在所述的阴、阳极催化层上形成导电的阴、阳极疏水性膜层，制得具有疏水性膜层的CCM；将具有导电的疏水性膜层的CCM两边组装边框和气体扩散层得到膜电极；本发明专利技术通过将疏水膜浆料直接涂布在催化层上形成导电的疏水性膜层，利用催化层和气体扩散层之间的导电疏水性膜层防止膜电极出现水淹，保证气体的传输，且平衡催化层内的水含量，无需在催化层中添加额外物质，催化层的电阻和气体传输阻力不会增加。不会增加。不会增加。

【技术实现步骤摘要】
一种抗水淹高性能膜电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，更具体地，涉及一种抗水淹高性能膜电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)在运行过程中需要水的参与，水在膜电极/燃料电池中是一把“双刃剑”。一方面，膜电极中水的存在具有促进质子传输的积极作用；另一方面膜电极中的水如果太多则会造成膜电极水淹的消极影响。
[0003]膜电极/燃料电池的水管理，尤其是高电流密度之下的膜电极的水管理能力尤为重要。为了提高燃料电池功率密度，行业内越来越关注高工作电流密度下膜电极/燃料电池性能；在膜电极/燃料电池运行的过程中会产生水，并且水的产生量随膜电极/燃料电池工作的电流密度升高而增加。水容易凝集在大的孔隙、涂层裂缝中以及催化层和气体扩散层的界面上。大孔隙和裂缝中的水可导致部分气体传输通道被阻塞，而催化层和气体扩散层间形成的水膜则会导致大部分气体传输通道被阻塞，膜电极出现严重水淹。水淹不仅会阻塞气体(H2，O2)的传输路径，造成H2和/或O2不能与催化剂的活性位点接触阻止反应的进行，导致膜电极/燃料电池的性能下降，而且会加速膜电极的老化，缩短膜电极的寿命。
[0004]因此，平衡膜电极催化层内，催化层和气体扩散层间的水含量(尤其是阴极一侧)是提高膜电极、燃料电池性能和寿命的关键。
[0005]目前，用于平衡膜电极催化层内，催化层和气体扩散层间的水含量的方法主要有两类，一类是在催化层中加入疏水性物质，如PTFE(聚四氟乙烯)；另一类是设计两层或多层的催化层结构，每层具有差异性的疏水能力。
[0006]对于第一类，美国专利US4876115具有憎水通道的膜电极，其将PTFE和催化剂混合后喷涂到碳纸之上，利用PTFE的强憎水能力提高膜电极的排水性，但这种方法容易造成催化剂被包裹造成催化剂不能发挥作用。中国专利CN101145613公开了具有PTFE/C复合体的低温甲醇燃料电池，先让PTFE和C形成复合型载体，再将催化剂和离聚物形成聚合体，最后将两者结合形成浆料，这种方法虽然可以降低PTFE对催化剂的包裹，并形成具有排水能力的通道，但是却忽略了离聚物对催化剂的毒化(离聚物，如全氟磺酸树脂中的磺酸基团容易吸附到催化的表面降低催化剂活性)。
[0007]中国专利CN101071874公开了一种以聚合物超短纤维作为疏水剂的燃料电池，将疏水物质添加到催化层中达到增强催化层排水能力的目的。中国专利CN 101800321A公布的亲疏水可调的质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法，将疏水剂加入到催化剂浆料中，并通过热压转印的方法制得膜电极，通过调节疏水性添加剂和催化剂的比例达到调节膜电极的亲疏水性。这些方法虽然在一定程度上解决了催化层内部的淹水问题，但很难平衡质子传输所必要的水；添加的物质既不是电子导体，也不是质子导体，容易导致催化层的电阻上升；且这些物质本身的透氧能力很弱，不能起到促进氧气传输的目的；同时，针对CCM法制备的膜电极而言，这种方法也不能很好解决催化层和气体扩散层界面之间的水淹问
题。
[0008]对于第二类。中国专利CN1612381A中公开了一种两层结构的催化层，通过使用不同Pt担载量催化剂使得其中一层相对亲水(Pt担载量高)，另一层相对疏水(Pt担载量低)；这种方法虽然可以兼顾质子的传输，但是，相对疏水的催化层中也使用了亲水性Pt和具有亲水基团的Nafion，使得疏水的改善程度十分有限，不能很好地改善催化层和气体扩散层中的水淹问题。中国专利CN101728542A公开了一种疏水膜催化层的制备方法，先将催化剂与憎水剂(PTFE)调制成墨水，喷涂到耐热介质上，进行高温焙烧实现憎水化，再向憎水化薄层表面喷涂质子导体聚合物，之后通过转印的方法制得表面憎水化的CCM,这种方法本身含有的PTFE既不导电子也不导质子，会增加催化层的电子和质子传导阻力，且其必要的高温处理过程容易造成催化剂聚集，降低催化能力，并且没有解决催化层和气体扩散层之间的水淹问题。
[0009]总体而言，目前的方法存在以下不足：(1)催化层中添加的疏水物质通常不导电、不导质子、也不透气，会导致催化层电阻和传质阻力升高；(2)无法很好地解决催化层和气体扩散层之间的水淹问题；(3)即使是相对疏水的催化层中也含有一定量的磺酸树脂，如Nafion，其憎水能力也有限；(4)催化层中添加的物质本身没有催化功能，添加到催化层中会形成局部无效体积，延长气体传输路径的长度。

技术实现思路

[0010]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种抗水淹高性能膜电极的制备方法，能够解决催化层与膜电极之间的界面的水淹以及平衡催化层内部的亲疏水性，同时避免向催化层中添加非活性物质。
[0011]本专利技术的另一目的是提供一种抗水淹高性膜电极。
[0012]本专利技术采取的技术方案是，一种抗水淹高性能膜电极的制备方法，包括如下步骤：
[0013]S1：制备阴、阳极催化剂浆料；
[0014]S2：将S1制得的阴、阳极催化剂浆料分别涂布在质子交换膜的两侧形成阴、阳极催化层；
[0015]S3：制备阴、阳极疏水膜浆料；
[0016]S4：将S3制得的阴、阳极疏水膜浆料分别在CCM的阴、阳极催化层上涂布、烘干制备导电的阴、阳极疏水性膜层，或将阴、阳极疏水膜浆料涂布到其他的基材上烘干后分别转印到阴、阳极催化层上形成具有导电的疏水性膜层的CCM；
[0017]S5：将具有导电的阴、阳极疏水性膜层的CCM两边组装边框和气体扩散层得到膜电极。
[0018]所述的涂布方法为构建疏水薄层实现的手段中的一种，实现方法还包括但不限于狭缝直涂、刮刀直涂、喷涂、溅射、转印等；所述的基材为PTFE或其他的离型膜。
[0019]在本专利技术中，所述步骤S3可以是只制备阴极疏水膜浆料或只制备阳极疏水膜浆料或制备阴、阳极疏水膜浆料，相应的，所述步骤S4可以是只在阴极催化层上涂布形成阴极疏水性膜层或只在阳极催化层上涂布形成阳极疏水性膜层或分别在阴、阳极催化层上涂布形成阴、阳极疏水性膜层。在本专利技术中，只要在膜电极中形成一层疏水性膜层便可很好地避免水淹现象，而同时具备两层的疏水性膜层，其抗水淹效果更佳。
[0020]本专利技术的抗水淹高性能膜电极的制备方法相对于现有技术所不同的是，本专利技术通过在催化层上构筑导电的疏水性膜层，利用这一层疏水性膜层对催化层的保护作用防止催化层和气体扩散层之间的间隙空间形成水淹膜，保证气体的传输，且可通过调节疏水膜层的性质针对性地平衡催化层内的水含量。同时，由于气体扩散层和疏水性膜层之间具有较催化层和气体扩散层之间更接近的疏水性(也即疏水性膜层和气体扩散层都疏水，具有更相近的表面性质)，能够确保疏水性膜层表面的水及时通过气体扩散层排出，不造成气体扩散层和疏水膜之间的间隙空间水淹，能确保透过扩散层的气体顺利透过疏水性膜层，进入到催化层。所述疏水性膜层通常为不含有催化剂、全氟磺酸树脂，所述疏水性膜层为多孔结构可以让气体扩散进催化层，水传递出催化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗水淹高性能膜电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：制备阴、阳极催化剂浆料；S2：将S1制得的阴、阳极催化剂浆料分别涂布在质子交换膜的两侧形成阴、阳极催化层；S3：制备阴、阳极疏水膜浆料；S4：将S3制得的阴、阳极疏水膜浆料分别在CCM的阴、阳极催化层上涂布、烘干制备导电的阴、阳极疏水性膜层，或将阴、阳极疏水膜浆料涂布到其他的基材上烘干后分别转印到阴、阳极催化层上形成具有导电的疏水性膜层的CCM；S5：将具有导电的阴、阳极疏水性膜层的CCM两边组装边框和气体扩散层得到膜电极。2.根据权利要求1所述的一种抗水淹高性能膜电极的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：S1：称取催化剂、水、全氟磺酸树脂分散液、低沸点醇，将称取的催化剂缓慢加入水中，并搅拌3～5min使其被水润湿均匀，再依次加入全氟磺酸树脂分散液、低沸点醇搅拌，每个物料加入后搅拌1～2min，倒入浆料分散设备进行破碎、分散，再进行脱泡处理得到可涂布的阴、阳极催化剂浆料；S2：将S1制得的阴、阳极催化剂浆料采用狭缝涂布的方法分别涂布于质子交换膜的两侧并烘干待用；S3：称取疏水性物质、水、低沸点醇配制成混合溶液，再经过分散设备处理制得阴、阳极疏水膜浆料；S4：将S3制得的阴、阳极疏水膜浆料分别在CCM的阴、阳极催化层上涂布、烘干制得导电的疏水性膜层，或将疏水膜浆料涂布到其他的基材上烘干后分别转印到阴、阳极催化层上形成具有疏水性膜层的CCM。S5：将具有导电的疏水性膜层的CCM两边组装边框和气体扩散层得到膜电极。3.根据权利要求2所述的一种抗水淹高性能膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明全，钟家强，莫善云，杨云松，叶思宇，邹渝泉，唐军柯，孙宁，吴力杰，
申请(专利权)人：鸿基创能科技广州有限公司，
类型：发明
国别省市：