[发明专利]一种燃料电池膜电极组件的制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池膜电极组件的制备方法，包括以下步骤：(1)取催化剂分散于混合溶剂中，采用真空消泡工艺制备催化剂浆料；(2)将步骤(1)制备的催化剂浆料直接涂覆在质子交换膜两侧，干燥，即得到膜电极CCM；(3)将气体扩散层固定在步骤(2)制得的膜电极CCM两侧，并进行封边处理，即可制得所述燃料电池膜电极组件。与现有技术相比，本发明工艺简单、高效，无需热压处理，质子交换膜不会产生形变收缩，适合批量生产，产品一致性更好；催化层与质子交换膜之间无界面效应，质子和电子传递的电阻更低，有效降低燃料电池的生产成本，适用于大电流放电的车载电堆。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池膜电极组件的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(以下称为燃料电池)，是一种不经卡诺循环，利用燃料 (氢气)与氧化剂(一般采用空气)的电化学反应，将化学能直接转化为电能的发电装置。由质子交换膜与贵金属催化剂构成的燃料电池膜电极组件(MEA)是燃料电池的核心部件，在燃料电池的工作过程中，MEA需要有效地将燃料与氧化剂阻隔开，防止燃料与氧化剂混合直接发生化学反应，极端情况下甚至可能引起爆炸，或者燃料与氧化剂的互相渗漏引起的电池发电效率下降和寿命的衰减。

在质子交换膜燃料电池中，阴阳极催化层一般都采用碳载纳米Pt、Pd贵金属或其合金作为催化剂。在燃料电池阴极发生电化学的过程中，空气中的氧气经气体扩散层(GDL)向质子交换膜扩散，而阳极电化学反应产生的氢质子则透过质子交换膜往阴极传递。质子和氧气在贵金属催化剂表面活性位相遇后，发生氧气的还原反应(ORR)生成水，两种反应物质均消亡。

因此，如何高效地制备出性能优异的燃料电池的核心部件CCM就显得尤为重要。在目前大多数方法中，普遍采用的方法是将催化剂浆料通过气体引流的方式直接喷涂于质子交换膜上形成CCM。这种方法的最大缺点是喷涂速度慢，造成加工周期较长。另一种更适于量产的方法是将催化剂浆料直接涂布于气体扩散层或者转印膜上，通过热压转印至质子交换膜上的方法形成CCM。但该工艺增加了转印步骤，操作复杂、繁琐。显然，将催化剂浆料直接涂布于质子交换膜上，将大大简化制作流程，提高生产效率。然而，由于浆料配方的欠缺，如果直接涂覆于质子交换膜上，会造成膜的收缩形变，进一步造成催化剂分布不均、产生裂纹、皲裂、龟裂，甚至起壳、脱落，最终影响燃料电池的发电性能。

膜电极组件的制备，如专利CN200710001423.5所述，可降低电极与质子交换膜之间的电阻，但采用在支撑膜上涂布催化层并通过热压转印的方法得到催化剂涂布膜，制造工艺繁琐，不利于大批量生产，产品一致性欠佳。如专利 CN200780042860.X所述，使用一种或多种掩膜，采用喷涂工艺，涂布阴极和阳极层之后，制备扩散层并将其插入到所述涂覆有催化剂的膜上，热压后形成膜电极组件，此方法改善了质子交换膜产生收缩形变的问题，但催化层与质子交换膜之间存在界面效应，质子和电子传递电阻偏高，使燃料电池性能变差。如专利 CN201180015920.5所述，以加持电解质膜的方式配置一对涂布有电极催化层的基材，并利用一对层压辊从所述基材外侧施加热压力，从而热转印电极催化层得到 CCM，其方法虽然控制了质子交换膜的收缩形变，但通过转印工艺，操作繁杂，而且催化层和质子交换膜之间存在界面效应，降低了MEA的性能。如专利 CN200810024885.3所述，将质子交换膜置于双氧水中处理，并将其放在纯净水中煮沸，最后在蒸馏水中洗涤干净，配置好浆料后采用喷涂工艺制作CCM，生产工艺繁琐，工作周期长，不利于大批量生产。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池膜电极组件的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池膜电极组件的制备方法，包括以下步骤：

(1)取催化剂倒入全氟磺酸溶液(即Nafion溶液)中，再加入混合溶剂，采用真空消泡工艺使离聚物充填并吸附进所述催化剂及其载体颗粒的微孔中，制备催化剂浆料；