本发明专利技术公开了一种燃料膜电极及其制备方法。所述的膜电极包括气体扩散层和催化层，其中所述的催化层为多层复合结构，主要由催化活性金属、憎水剂以及导电离子聚合物组成；其中所述的导电离子聚合物在各催化层间的含量不同；所述多层复合结构至少为两层结构，其中第一层为部分憎水催化层，第二层是亲水催化层。本发明专利技术还公开了一种燃料电池膜电极的制备方法，其中扩散层采用干法制备，本发明专利技术的膜电极结构，具有更好的水气管理能力，传质更加均匀、稳定，同时具有良好的导电子、质子能力，增加了催化剂的利用率，提高了燃料电池的电输出性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种燃料电池，具体地说是涉及。
技术介绍
燃料电池具有能量转化效率高，易启动，对环境污染小等优点，被认为是未来最佳的 清洁能源，许多国家政府都投入巨资对其进行研究。尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFCs) ，由于它可以用作电动车辆的动力源、分布式电站以及便携式可移动电源，而在近年来受到 世界各国的广泛关注，其关键技术也得到了快速发展。膜电极三合一^^n+^ss^^是质子交换膜燃料电池的核心部件，其性 能好坏直气体扩散层，通常由导电的多孔材料构成，作用是收集电流、传导气体和排出反应 产物——水。理想的扩散层应满足三个条件良好的排水性、良好的透气性、良好的导电性 。碳纸、碳布是目前较为广泛使用的扩散层材料，厚度约为100 300 ^1。其均匀的多孔 质结构和低的电阻率，保证了优异的透气性和电子传导能力。由于碳纸或碳布中只有比较单 一的大孔(如Toray TGP-H-060碳纸中约90。/。的孔都为孔径大于20mm的大孔)，因此若直接将 其用作PEMFC单电池的气体扩散层，往往不能实现水和反应气的有效传质。因此需要在碳纸 或碳布和催化层之间添加一层由碳粉与PTFE的混合物制成的微孔层(Micro-porous layer, MPL)，可以有效地改善PEMFC中水和气的传递，从而降低电池在高电流密度区的浓差极化， 提高电池性能。常见的制备方法是湿法制备微孔层，即用水或水与乙醇等低分子醇的混合物 作溶剂，将碳粉与PTFE乳液按照一定的比例超声波混和均匀，并加热使其成为具有一定粘度 的浆料。再将浆料涂布在经疏水化处理的基底层表面，并在340 35(TC进行烧结处理。由于 料浆的比重较大容易渗入到碳纸或碳布的内部，并首先附着在其纤维密集区，造成微孔层的 不均匀。而且湿法制备过程复杂，需要使用大量有机低分子醇。催化层的制备主要有憎水电极、亲水电极和超薄层电极三种。传统的憎水电极由于催化 层比较厚，憎水剂含量较大，内阻比较大；而且离子导电聚合物(Nafion)是通过喷入或浸 入的方式在催化层表面进入，所以很难保证其充分渗入到催化层内部并与催化剂颗粒充分接触，『传导阻力大。薄层亲水电极催化层中没有疏水剂，气体通道较少，气体传递阻力较 大；而且以Nafion粘结催化剂，在长期工作中其结合强度会逐渐下降，从而降低电极的性能 。而超薄层电极则是通过溅射沉积的方法将催化剂制备到电极上，条件比较苛刻，不适于大 规模生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种燃料电池的膜电极及其制备方法，以干法制备扩散层，并采用 多层复合结构的催化层制备工艺，有效提高了多孔电极的水气管理能力和三相反应界面，从 而提高燃料电池性能。其具体技术方案如下 一种燃料电池的膜电极，包括气体扩散层和催化层，所述的催化 层为多层复合结构，主要由催化剂、憎水剂以及导电离子聚合物组成；其中所述的导电离子 聚合物在各催化层间的含量不同；所述多层复合结构为在气体扩散层上涂布有部分憎水催化 层和/或憎水催化层，其上涂布有亲水催化层。通过改变导电离子聚合物在各催化层间的含 量可以实现各层之间的不同的亲疏水性。所述的两层催化层结构中，所述的部分憎水催化层，主要由第一催化剂、憎水剂和导电 离子聚合物组成；所述的憎水催化层，由催化剂与憎水剂组成；所述的亲水催化层，主要由 第二催化剂和导电离子聚合物组成。在所述的亲水催化层中，不使用憎水剂，从而减小了电 极的内阻。所述的部分憎水催化层和/或憎水催化层的厚度为5 15 ^，所述的亲水催化层的厚度 为1 5，所述第一催化剂与第二催化剂可以是同一种催化剂，也可以是不同的催化剂，其可以是 碳载铂、铂黑或合金催化剂，所述的合金催化剂可以由下述金属的至少两种组成Pt、 Pd、 Au、 Fe、 Co、 Rh、 Ni、 Sn、 Ru等活性金属。所述导电离子聚合物是全氟磺酸树酯(Nafion溶液)，或经过磺化处理的聚醚醚酮(S-PEEK)、聚砜(S-PS)。所述憎水剂为聚四氟乙烯(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)悬浮液。一种燃料电池膜电极的制备方法，其主要步骤如下1) 将多孔基层浸入1% 20%的含氟聚合物乳液中充分润湿后，取出干燥；重复上述步骤 直到含氟聚合物的含量达到5% 60%，然后在高温烘箱中200 38(TC热处理10 60min;2) 称取质量比为10: 0.5-10的导电碳粉末与含氟聚合物粉末，高速球磨混合均匀，得 到复合粉料，接着将复合粉料涂布到多孔基层上，制得微孔层，从而制得气体扩散层然后将 制得的气体扩散层置于高温烘箱中200 38(TC热处理10 60min;3) 将催化剂与低分子醇按照l: 1 50的质量比混合，超声搅拌l 20min后，制得墨水 状料浆，然后按照催化剂/憎水剂为l 10: l的质量比向上述料浆中加入憎水剂，接着超声 搅拌30 60min后，涂布到步骤2)制备的气体扩散层上，然后在高温烘箱中，在150 40(TC 下烧IO 60min后，制得催化层；和/或按照导电离子聚合物/分散剂为l: 1 5的质量比混 合均匀后，涂布到上述催化层上，然后置于真空干燥箱中60 12(TC干燥1 10h，制得部分 憎水催化层和/或憎水催化层；4) 将催化剂与低分子醇按照l: 1 50的质量比混合，制得料浆，接着按照催化剂/导电 离子聚合物为1 5: l的质量比向上述料浆中加入导电离子聚合物，超声搅拌30 60min后， 制得混合料浆，接着将上述混合料浆涂布到步骤3)中的部分憎水催化层和/或憎水催化层上 ，然后置于真空干燥箱中60 12(TC干燥1 10h，制得亲水催化层，从而制得电极；5) 将步骤4)制得的电极与质子交换膜热压后制得膜电极。步骤3)所述的在高温烘箱中烘干是指在惰性气氛或真空条件下进行。所述的分散剂为低分子醇，所述的低分子醇可以是乙醇、乙二醇、1， 2-丙二醇、丙三 醇、异丙醇的一种或几种的混合物。所述含氟聚合物乳液为聚四氟乙烯(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)悬浮液。所述含氟聚合物粉末为聚四氟乙烯(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，或四氟乙烯与乙烯的共聚物(ETFE)粉末 所述导电碳粉末，可以是碳粉、石墨、富勒烯(C60)、乙炔黑、活性碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米颗粒或其混合物。 所述的多孔基层为碳纸或碳布。所述的涂布可以采用丝网印刷、喷涂、滚压或刮涂等方式，其中第一、第二或其他催化 层可以采用相同的制备方法，也可以采用不同的制备方法。与现有技术相比，本专利技术主要具有下述优点1)本专利技术使用干法制备气体扩散层，不 使用任何有机溶剂，制备工艺简单，不存在微孔层料浆渗透问题，并且干法制备的微孔层无 裸露大孔，分布均匀；2)本专利技术的微孔层亲疏水可控可调，可以与燃料电池的运行条件匹 配；3)本专利技术所制备的气体扩散层平整度很好，能够使催化层更好的复合在气体扩散层上 ，减小了接触电阻，提高了电池综合性能；4)本专利技术的复合催化层结构由于导电离子聚合 物的浓度在各催化层间的含量不同，使催化剂与导电离子本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池的膜电极，包括气体扩散层和催化层，其特征在于所述的催化层为多层复合结构，主要由催化剂、憎水剂以及导电离子聚合物组成；其中所述的导电离子聚合物在各催化层间的含量不同；所述多层复合结构为在气体扩散层上涂布有部分憎水催化层和／或憎水催化层，其上涂布有亲水催化层。
【技术特征摘要】
1.一种燃料电池的膜电极，包括气体扩散层和催化层，其特征在于所述的催化层为多层复合结构，主要由催化剂、憎水剂以及导电离子聚合物组成；其中所述的导电离子聚合物在各催化层间的含量不同；所述多层复合结构为在气体扩散层上涂布有部分憎水催化层和/或憎水催化层，其上涂布有亲水催化层。2.根据权利要求l所述的燃料电池的膜电极，其特征在于所述的部分 憎水催化层主要由第一催化剂、憎水剂和导电离子聚合物组成；所述的憎水催化层由催化剂 与憎水剂组成；所述的亲水催化层主要由第二催化剂和导电离子聚合物组成。3.根据权利要求l所述的燃料电池的膜电极，其特征在于所述的部分 憎水催化层和/或憎水催化层的厚度为5 15 ^ ，所述的亲水催化层的厚度为1 5 ^ 。4.根据权利要求l所述的燃料电池的膜电极，其特征在于所述导电离 子聚合物是全氟磺酸树酯或经过磺化处理的聚醚醚酮、聚砜。5.根据权利要求l所述的燃料电池的膜电极，其特征在于所述憎水剂 为聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液、氟化乙丙烯乳液或聚三氟氯乙烯悬浮液。6. 一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于采用如下步骤制得1) 将多孔基层浸入l。/。 20wt。/。的含氟聚合物乳液中充分润湿后，取出干燥；重复上述 步骤直到含氟聚合物的含量达到5。/。 60wt %，然后在高温烘箱中200 38(TC热处理10 60min;2) 称取质量比为10: 0.5-10的导电碳粉末与含氟聚合物粉末，高速球磨混合均匀，得 到复合粉料，接着将复合粉料涂布到多孔基层上，制得微孔层，从而制得气体扩散层，然后 将制得的气体扩散层置于高温烘箱中200 38(TC热处理10 60min;3) 将催化剂与低分子醇按照l: 1 50的质量比混合，超声搅拌l 20min后，制得墨水 状料浆，然后按照催化剂/憎水剂为l 10: l的质量比向上述料浆中加入憎水剂，接着超声搅拌...
【专利技术属性】
技术研发人员：马丽，肖钢，
申请(专利权)人：汉能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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