專利名稱：一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池膜 電極(Catalyst Coated Membrance，CCM)0
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池中膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心組件，膜電極主要由 質(zhì)子交換膜、催化層及擴(kuò)散層組成。目前應(yīng)用的膜電極主要有五合一膜電極、三合一膜電極 (CCM)等幾種，在電極中催化層一般處于擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜之間。催化層是由電催化劑 (如Pt/C、Pt、Pd或其復(fù)合物等)及固體聚合物電解質(zhì)(如Nafion等)構(gòu)成。擴(kuò)散層一般 是經(jīng)過憎水處理的碳紙或碳布。CCM是將陰、陽極催化劑直接涂敷到電解質(zhì)膜上形成的三合一電極結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有公開 報(bào)道的CCM結(jié)構(gòu)一般采用在電活性區(qū)域整面涂布催化劑的方法來制備催化層(US5330860， USP5415888, US5316871, US5234777)。文獻(xiàn)CN1269428A公開了將催化劑與質(zhì)子導(dǎo)體聚合物混合制成的粉末，直接整面 熱壓到質(zhì)子交換膜上，形成CCM三合一組件的技術(shù)。以上方法的缺點(diǎn)是電催化劑用量較大， 成本較高。文獻(xiàn)CN 1560950A公開了采用激光打印技術(shù)制備膜電極的技術(shù)，該技術(shù)雖可制備 所需不同結(jié)構(gòu)的CCM，但由于膜層太薄，膜在輸送過程中容易發(fā)熱變形，使打印圖案發(fā)生偏 移，不利于得到理想圖案。也有采用間接法合成復(fù)合膜電極的。如文獻(xiàn)CN1560949A公開的技術(shù)，是通過精細(xì) 涂布或絲網(wǎng)印刷技術(shù)將料漿涂敷到轉(zhuǎn)移介質(zhì)上，然后通過熱壓將催化劑層轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換 膜上制備質(zhì)子交換膜燃料電池用超薄膜電極。雖然在轉(zhuǎn)移過程中去除了溶劑，減少了膜溶 脹現(xiàn)象。但缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，催化劑用量大，大面積催化劑結(jié)構(gòu)必然使催化劑在膜上造成部 分浪費(fèi)，不能有效利用，且在轉(zhuǎn)移過程中貴金屬催化劑浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極(CCM)，在質(zhì)子交換 膜的部分區(qū)域擔(dān)載正常量的催化劑，其它區(qū)域減少催化劑的擔(dān)載量或不擔(dān)載催化劑，從而 在不影響膜電極電性能的前提下達(dá)到減少催化劑用量，降低成本的目的。本實(shí)用新型的目的是通過以下的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜 電極，由在質(zhì)子交換膜兩側(cè)涂布催化層構(gòu)成，其特征在于所述在質(zhì)子交換膜兩側(cè)涂布的催 化層呈條狀分布，在質(zhì)子交換膜的與流場(chǎng)的凹槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，即質(zhì)子交換膜與流場(chǎng)的反 應(yīng)氣流道相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，設(shè)置催化層。本實(shí)用新型所述的質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極可用以下的方法制備先制備催 化劑擔(dān)載量為正常量的催化層漿料和催化劑擔(dān)載量為正常量的O 80%的催化層漿料，并 將催化劑擔(dān)載量為正常量的0 80%的催化層漿料均勻涂布在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，晾干；預(yù)先制備流場(chǎng)模具，模具鏤空部分與流場(chǎng)氣體流道部分對(duì)應(yīng)，將模具與質(zhì)子交換膜對(duì)齊并固 定，模具用金屬、塑料或者木質(zhì)材料制作。將制備好的催化劑擔(dān)載量為正常量的催化層漿料 涂敷在模具鏤空部分的已涂布過催化劑擔(dān)載量為正常量的0 80%催化層漿料的質(zhì)子交 換膜上，將涂敷過催化層漿料的質(zhì)子交換膜從模具上取出并進(jìn)行后處理，制得膜電極。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是(1)減少了貴金屬催化劑的擔(dān)載量，從而大大降低成本；(2)與質(zhì)子交換膜接觸的流場(chǎng)凸起區(qū)域減少貴金屬催化劑的擔(dān)載量或不擔(dān)載催化 劑，與該區(qū)域?qū)?yīng)的質(zhì)子交換膜可與水更好接觸，從而有利于膜的潤濕，增強(qiáng)電池性能；(3)由于催化劑在膜上涂敷面積減少，降低了膜的溶脹變形率，有利于保障CCM的 均勻性和穩(wěn)定性。本實(shí)用新型共有附圖
一幅，是本實(shí)用新型的膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖，附圖中，1、質(zhì)子交換膜，2、流場(chǎng)，3、流場(chǎng)凸起，4、流場(chǎng)氣體流道，5、催化劑層。實(shí)施實(shí)例具體實(shí)施方式
制備條形流場(chǎng)模具，使模具條形鏤空部分剛好與流場(chǎng)氣體流道4部分對(duì)應(yīng)，將模 具與質(zhì)子交換膜1對(duì)齊固定。將5%的Nation溶液與20%的Pt/C按1 3的質(zhì)量配比 超聲波振蕩，混合均勻，再往其中添加去離子水和甘油，經(jīng)超聲波混合均勻后，再往其中添 加少量5 %的NaOH溶液，形成墨水狀溶液，將上述溶液直接噴涂到Na型PEM上，在160 190°C下烘干；用同樣的方法在PEM另一側(cè)噴涂墨水狀溶液，并烘干，形成薄層CCM ；將制得 的CCM在0. 5mol/L H2S04中煮lh，鈉型PEM轉(zhuǎn)變?yōu)闅湫蚉EM，再用去離子水清洗，烘干。在 質(zhì)子交換膜1上形成條形催化劑層5。實(shí)施實(shí)例2制備條形流場(chǎng)模具，使模具條形鏤空部分剛好與流場(chǎng)氣體流道4部分對(duì)應(yīng)，將模 具與質(zhì)子交換膜1對(duì)齊固定。采用一級(jí)天平稱取催化劑Pt 20mg, Ir02 20mg，加入1.6g 5% 的Nation溶液，超聲波振蕩40min混合均勻，再往其中添加去離子水和甘油，經(jīng)超聲波混合 均勻后，再往其中添加少量5%的NaOH溶液，形成墨水狀溶液，將上述溶液直接噴涂到Na型 PEM上，在160 190°C下烘干；用同樣的方法在PEM另一側(cè)噴涂墨水狀溶液，并烘干，形成 薄層CCM ；將制得的CCM在0. 5mol/L H2S04中煮lh，鈉型PEM轉(zhuǎn)變?yōu)闅湫蚉EM，再用去離子 水清洗，烘干。在質(zhì)子交換膜1上形成條形催化劑層5。實(shí)施實(shí)例3采用等離子濺射法，先在整個(gè)膜的表面沉積一層厚度為500nm的Pt。然后制備條 形流場(chǎng)模具，使模具條形鏤空部分剛好與流場(chǎng)氣體流道4部分對(duì)應(yīng)，將模具與質(zhì)子交換膜1 對(duì)齊固定。再采用等離子濺射法，在膜表面沉積一層厚度為500nm的Pt，再在Pt表面浸漬 Nation/C/異丙醇溶液，干燥后再濺射Pt。如此反復(fù)3次。CCM與流場(chǎng)流道4對(duì)應(yīng)處催化 層5厚度為3 6 μ m，Pt的載量為0. 043mg/cm2 ；而流場(chǎng)凸起3處對(duì)應(yīng)的膜上催化劑擔(dān)載 量為其他部位的25%。
權(quán)利要求一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，由在質(zhì)子交換膜兩側(cè)涂布催化層構(gòu)成，其特征在于所述在質(zhì)子交換膜(1)兩側(cè)涂布的催化層(5)呈條狀分布，在質(zhì)子交換膜的與流場(chǎng)的凹槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，即質(zhì)子交換膜與流場(chǎng)的反應(yīng)氣流道(4)相對(duì)應(yīng)的區(qū)域設(shè)置催化層。
專利摘要一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，由在質(zhì)子交換膜兩側(cè)涂布催化層構(gòu)成，其特征在于所述在質(zhì)子交換膜兩側(cè)涂布的催化層，催化層與流場(chǎng)的不同區(qū)域相對(duì)應(yīng)的位置，催化層的催化劑的擔(dān)載量不同在質(zhì)子交換膜的與流場(chǎng)的凹槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，即質(zhì)子交換膜的與流場(chǎng)的反應(yīng)氣流道相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，催化層擔(dān)載正常量的催化劑，在質(zhì)子交換膜的與流場(chǎng)的凸起部分相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，催化層的催化劑擔(dān)載量為正常量的0～80％。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是可以大幅度節(jié)約貴金屬催化劑的用量，降低電池成本，并且有利于膜的潤濕和保持CCM的均勻性和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01M4/86GK201629376SQ20092020303
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2009年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者付宇, 吳洪亮, 孫佰文, 潘歡歡 申請(qǐng)人:江蘇新源動(dòng)力有限公司