[发明专利]一种可用于燃料电池的新型膜电极组件,制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电催化与能量转换技术领域，具体涉及一种可用于燃料电池的新型膜电极组件，制备方法及其应用。

背景技术

燃料电池(Fuel Cells)是一种高效、环境友好、能直接将化学能转化为电能的能量转换装置，被认为是二十一世纪最重要的能源技术之一。近年来，车用燃料电池技术的发展方向逐渐明确，质子交换膜燃料电池被认为是最适合车辆应用的燃料电池技术。我国在国家中长期发展纲要中也明确将燃料电池作为前沿技术，明确提出要重点研究燃料电池关键材料制备和电堆集成技术。

随着生产规模的不断扩大，燃料电池的许多组件如双极板、质子交换膜和碳纸的制造成本大幅下降，使得电池制造成本不断下降[T.Xie，S.G.Yan，P.T.Yu，Electrochem.Soc.Interface，14(2005)24-35.]。质子交换膜燃料电池的催化电极主要由催化剂(催化燃料和氧化剂的电化学氧化还原反应)、催化剂载体(起支撑和分散催化剂的作用)和扩散层(主要起支撑、气体分配和集流作用)组成。扩散层(碳纸或碳布)的性能对整个电极有着很大的影响，但其制备技术相对比较成熟，目前研究关注不多。关于质子膜燃料电池催化电极结构的研究主要集中在催化层(Pt/C)以及其制备工艺方面。

Pt负载量过高是公认的制约燃料电池大规模产业化应用的瓶颈。作为一种稀有金属，Pt储量极为有限。可以预见随着消耗量的不断增大，Pt价格会越来越高。因此在燃料电池领域特别是质子膜燃料电池领域，如何进一步降低催化剂Pt用量是业界不懈奋斗的目标。降低Pt负载量的有效手段之一是将Pt载于高比表面积的炭材料上，这会提高分散度，进而增加单位质量Pt活性催化表面，从而降低Pt负载量[CN1346706；JP 2004038393；JP 2004080681；CN101087023；N.Y.Jia，R.B.Martin，Z.G.Qi，M.C.Lefebvre，P.G.Pickup.Electrochim.Acta 46(2001)2863.]。Vulcan Xc-72碳黑是目前应用最广的商用燃料电池催化剂载体，也是研究其它碳纳米材料的标准参照体[CN101120467；J.Moreira，P.delAngela，A.L.Ocampo，P.J.SebastiOan，J.A.Montoyaa，R.H.International Journal ofHydrogen Energy 29(2004)915；J.Prabhuram，X.Wang，C.L.Hui，I-Ming Hsing.J.Phys.Chem.B 107(2003)11057.]。但由于Vulcan Xc-72具有微孔过多，导电性不高等缺点，研究者一直在寻找其替代品。

另一方面，传统燃料电池膜电极制备工艺也是制约燃料电池发展的一个主要瓶颈。从燃料电池的制备工艺来说，目前不同形态的商用燃料电池膜电极(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)(如厚层电极，薄层电极，或憎水电极和亲水电极)的制备方法都采用墨水化工艺(ink-process)[CN1965435，CN1954450，CN101315982]。该方法就是将Nafion溶液/PTFE乳液、Pt/C催化剂粉末与溶剂(如水、甘油或异丙醇)充分混合制成催化剂墨水溶液，然后通过不同的涂覆技术(如喷、刷、打印或滚压等)将催化剂转移到扩散层或Nafion膜上，再压制成膜电极。这种方法具有许多优点，也是目前制备质子膜燃料电池电极的通用方法。然而这种方法存在着一些先天性不足。其一，形成的催化层实际上是Pt/C颗粒的无序堆积体，层内颗粒的接触电阻会造成催化层内电子电导不足。其二，墨水化过程中Nafion易于在Pt/C颗粒表面形成包覆层，会使部分碳颗粒被隔离，最终会进一步增大催化层内和催化层与扩散层间的接触电阻。其三，在墨水化过程中，Nafion会将部分催化中心Pt颗粒包覆，阻挡了其与反应气的接触而使之成为无用Pt，从而降低了Pt的利用率。另外，传统墨水化法制备膜电极过程中，粘结剂Nafion是必须的。因此，优化基于墨水化法的由Pt/C粉和Nafion构成的催化层的电极结构成了一个燃料电池研究的重要课题。