一种质子交换膜燃料电池用膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池用膜电极及其制备方法，由三层构成，中间层为质子交换膜，两侧分别为多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层。多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层均是由催化剂、粘结剂和碳纤维组成，其层外表面是由以０～１８０度相互交织的碳纤维构成。本发明专利技术结构的膜电极是利用静电植绒技术，将碳纤维直接植入到涂刷催化剂和粘结剂的质子交换膜上，进而将传统膜电极的催化层和扩散层成为统一整体，从而简化了膜电极的制备工艺，提高了膜电极催化层和扩散层的结合能力，改善了膜电极的电化学性能，在电流密度为３００ｍＡ／ｃｍ↑［２］的条件下，电池的放电功率增加１３～２２％。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池用膜电极及其制备方法
本专利技术涉及一种电池的电极及其制备方法，特别是一种质子交换膜燃料电池用的膜电极及其制备方法。
技术介绍
膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的关键部件，其结构对质子交换膜燃料电池的整体性能有着十分重要的影响。在衣宝廉著《燃料电池——原理·技术·应用》一书中介绍了传统PEMFC膜电极的结构，如图1所示，是五层结构，由燃料扩散层4、多孔阳极催化层2、质子交换膜1、多孔阴极催化层3和氧气扩散层5构成。扩散层通常为经过聚四氟乙烯PTFE憎水处理的碳布或者碳纸，其主要的作用是支撑催化层、稳定电极结构、为电极反应提供电子、气体和排水通道。催化层是膜电极的核心部分，是电池反应的场所，由催化剂和粘接剂组成。质子交换膜除了可提供质子从阳极传递到阴极的通道，还起到防止阴、阳极短路和反应气互串的作用。除了膜电极中各部分材料本身性能外，其结构以及其制备工艺是PEMFC研究中的关键技术，决定了PEMFC的电化学性能和实用进程。关于传统膜电极的制备方法，如今存在很多种不同的方法。中国专利CN1201270中描述了一种通用的制备方法：将催化剂与一定量的溶剂、粘结剂和质子交换树脂一起混合，然后经过超声波分散均匀后，将催化剂浆料均匀涂覆在扩散层上，再进行干燥，然后再在催化剂层表面涂一层质子交换树脂溶液。最后将两张复合催化剂的扩散层夹住一张质子交换膜，在一定的温度和压力下热压制成MEA。另外，中国专利CN1471186中描述了转印膜电极的制备方法。首先将催化剂与一定量的溶剂、粘结剂和质子交换树脂混合均匀，然后涂覆在转印的薄片上，-->待催化剂浆料干燥后，在高温高压条件下将附有催化层的薄片与质子交换膜压合，再把薄片剥离，将催化剂复合到质子交换膜上，然后将其与扩散层热压制成MEA。由于PEMFC传统膜电极是五层结构，造成膜电极的制备过程繁琐，增大膜电极中层与层之间的接触电阻，在燃料电池使用过程中易造成催化层与扩散层的分离脱落，降低膜电极的时间稳定性，极大影响燃料电池的电化学性能和寿命。另外，膜电极的扩散层均采用经过聚四氟乙烯PTFE憎水处理的碳布或者碳纸，虽然可保证使用过程中具有足够的强度，但由于加入较多非导电性的憎水材料，进而造成扩散层电阻率大，孔隙率及结构不合理，无定向排水和输气的通道，影响了燃料电池性能。静电植绒技术是利用在高压静电场中，两个带有不同电荷的物体同性相斥、异性相吸的物理特性而实现的。静电发生器产生的高压静电场，一端连到有绒毛纤维的金属丝网上，另一端接到涂有粘合剂的植绒基材的金属平板上，由于静电效应，带电纤维可按一定角度植入到涂有粘合剂的植绒基材上，形成稳定的纤维薄膜。中国专利CN2344096中介绍了多种活性碳纤维静电植绒制品，可在纺织面料、包鲜材料、空气过滤材料、装饰材料等方面应用。中国专利CN1316354中介绍了静电植绒技术在汽车的多侧面及复杂曲面的零部件方面的应用。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种质子交换膜燃料电池用膜电极，减少膜电极组成层数，简化制备工艺，增大膜电极稳定性，使扩散层中同时具有通畅的电子、质子及液体、气体的传递通道。本专利技术一种质子交换膜燃料电池用膜电极由三层组成，中间层为质子交换膜，两侧分别是多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层；其中质子交换膜为全氟质子交换膜，厚度为10～200微米，离子交换容量为0.3～1.5mmol./g；多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层均是由质量比为0.05～20∶1∶0.01～10的催化剂、粘结剂和碳纤维组成，厚度为8～5000微米，外表面全部为碳纤维组成，厚度为5～3000微米；碳纤维分布于多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层中或分布于表层或表面；碳纤维在多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层中-->的体积份数为1～90％；多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层外表面的碳纤维为无纺碳纤维或者与质子交换膜平面成0～180度有序排列，且碳纤维之间以0～180度相互交织，并以多孔形式存在，孔隙率为1～95％。本专利技术使用的催化剂为碳载Pt催化剂或者Pt与Ru的质量比为1∶0～2的碳载Pt-Ru催化剂，其中碳载Pt催化剂和碳载Pt-Ru催化剂中Pt的含量为10～60wt％。本专利技术使用的粘结剂为全氟质子交换树脂或者全氟质子交换树脂和浓度为60～80wt％的聚四氟乙烯乳液的混合物，其中全氟质子交换树脂和聚四氟乙烯乳液的质量比为1∶0～5，全氟质子交换树脂的离子交换容量为0.3～1.5mmol./g。本专利技术使用的碳纤维为活性碳纤维、石墨碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维或者其混合物，碳纤维的长度分布在0.01～20毫米之间，碳纤维的直径在5～500微米之间。本专利技术一种质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法如下，以下均以质量份表示：(1)在150～300℃下，将全氟质子交换树脂溶解到溶剂中，得到浓度为5～15wt％的树脂溶液，然后分别将0.5～300份的碳载Pt催化剂或者Pt与Ru的质量比为1∶0～2的碳载Pt-Ru催化剂和0～100份的聚四氟乙烯乳液投入到100份的树脂溶液中，混合均匀制成催化剂浆料，其中碳载Pt催化剂和碳载Pt-Ru催化剂中Pt含量为10～60wt％，将催化剂浆料分别通过喷涂、浸渍或溅射方法，复合到全氟质子交换膜的双面上，在60～130℃下干燥10～120分钟，整平后再在全氟质子交换膜双面涂刷催化剂浆料，涂刷催化剂浆料层厚度为1～100微米，催化剂Pt在全氟质子交换膜上的总载量为0.1～4.0mg/cm2，得到涂刷催化剂浆料的全氟质子交换膜；(2)将直径在5～500微米之间的碳纤维长丝切短，使碳纤维长度在0.01～10毫米之间，得到碳纤维；然后分别将涂刷催化剂浆料的全氟质子交换膜和碳纤维放置到静电植绒装置的接收屏和进料斗中，其中接收屏采用二维或者三维转动式设计，然后在电压为1～100千伏、两电极极板距离为2～30厘米的条件下静电植绒，将碳纤维按与全氟质子交换膜平面成0～180度均匀植入或无序植入到涂刷催-->化剂浆料的全氟质子交换膜双面上，然后顺时针0～180度转动接收屏进行第二次静电植绒，得到带催化扩散层的全氟质子交换膜，其中植入的碳纤维之间以0～180度相互交织，碳纤维在催化扩散层中的体积份数为1～90％，催化扩散层外表面碳纤维层的厚度为5～3000微米，孔隙率在1～95％之间；(3)将带催化扩散层的全氟质子交换膜在60～150℃下烘干1～120分钟，使植入的碳纤维固定在催化扩散层中，得到一种质子交换膜燃料电池用膜电极。本专利技术使用的溶剂为有机溶剂或者体积比为1∶1～10的水与有机溶剂的混合溶剂，其中有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、碳酸丙烯酯或其混合物。本专利技术一种质子交换膜燃料电池用膜电极，具有下述优点：1.碳纤维植入到膜电极的多孔阴极扩散催化层和多孔阳极扩散催化层中，使膜电极的扩散层和催化层成为统一整体，将传统的五层膜电极结构简化成三层结构，图1为现有质子交换膜燃料电池膜电极结构示意图，其中1是质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池用膜电极，其特征在于结构如下：由三层组成，中间层为质子交换膜，两侧分别是多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层；其中质子交换膜为全氟质子交换膜，厚度为１０～２００微米，离子交换容量为０．３～１．５ｍｍｏｌ．／ｇ ；多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层均是由质量比为０．０５～２０∶１∶０．０１～１０的催化剂、粘结剂和碳纤维组成，厚度为８～５０００微米，外表面全部为碳纤维组成，厚度为５～３０００微米；碳纤维均匀分布于多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层中或分布于表层或表面；碳纤维在多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层中的体积份数为１～９０％；多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层外表面的碳纤维为无纺碳纤维或者与质子交换膜平面成０～１８０度有序排列，且碳纤维之间以０～１８０度相互交织，并以多孔形式存在，孔隙率为１～９５％。

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池用膜电极，其特征在于结构如下：由三层组成，中间层为质子交换膜，两侧分别是多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层；其中质子交换膜为全氟质子交换膜，厚度为10～200微米，离子交换容量为0.3～1.5mmol./g；多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层均是由质量比为0.05～20∶1∶0.01～10的催化剂、粘结剂和碳纤维组成，厚度为8～5000微米，外表面全部为碳纤维组成，厚度为5～3000微米；碳纤维均匀分布于多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层中或分布于表层或表面；碳纤维在多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层中的体积份数为1～90％；多孔阴极催化扩散层和多孔阳极催化扩散层外表面的碳纤维为无纺碳纤维或者与质子交换膜平面成0～180度有序排列，且碳纤维之间以0～180度相互交织，并以多孔形式存在，孔隙率为1～95％。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用膜电极，其特征是催化剂为碳载Pt催化剂或者Pt与Ru的质量比为1∶0～2的碳载Pt-Ru催化剂，其中碳载Pt催化剂和碳载Pt-Ru催化剂中Pt的含量为10～60wt％。3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用膜电极，其特征是粘结剂为全氟质子交换树脂或者全氟质子交换树脂和浓度为60～80wt％的聚四氟乙烯乳液的混合物，其中全氟质子交换树脂和聚四氟乙烯乳液的质量比为1∶0～5，全氟质子交换树脂的离子交换容量为0.3～1.5mmol./g。4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用膜电极，其特征是碳纤维为活性碳纤维、石墨碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维或者其混合物，碳纤维的长度分布在0.01～20毫米之间，碳纤维的直径在5～500微米之间。5.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于制备方法如下，以下均以质量份表示：(1)在150～300℃下，将全氟质子交换树脂溶解到溶剂中，得到浓度为5～...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永明，李磊，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]