[发明专利]一种可控表面屈曲燃料电池膜电极制备方法

说明书

本发明涉及一种可控表面屈曲燃料电池膜电极制备方法，通过预拉伸质子交换膜，在保持预拉伸的表面进行催化剂原子沉积形成纳米厚度的贵金属催化层，释放带有催化层的质子交换膜，形成表面屈曲形状，并通过控制预拉伸应变、催化层厚度以及后处理工艺的不同控制表面屈曲周期和波峰等参数的方法。与现有技术相比，本发明采用梯度刚度的涂层/柔性基底的有序表面屈曲现象来实现质子交换膜燃料电池的表面屈曲催化层制备，操作方法简单，制备结构多样，催化层传质性能高，可满足新一代燃料电池的性能需求和工艺成本控制。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及了一种表面屈曲可控的燃料电池膜电极制备方法。

背景技术

燃料电池是一种能量转换装置，可以将燃料中储存的化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质隔膜，铂/碳或铂-钌/碳等为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，碳纤维或碳颗粒搭接组装成多孔气体扩散层，带有流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。反应原理为氢气通过阳极双极板流道，经过阳极气体扩散层到达催化层，在催化剂位置分解为质子和电子，质子经过电解质隔膜到达阴极催化层，电子经过外界负载输出电能，并向阴极传递。同时，氧气经过阴极双极板流道和阴极气体扩散层，到达阴极催化层，与阳极传递过来的质子和电子发生氧化反应，生成水并产热。一节典型的燃料电池的输出电压约为1伏，为了达到一个较高的电压通常将多节燃料电池集成在一起串联形成燃料电池堆。其中，发生电化学反应，将化学能转化为电能的部件是催化层。

催化层位于电解质隔膜和气体扩散层中间，分为阳极催化层和阴极催化层，主要成分为铂/碳或铂-钌/碳等为电催化剂，主要功能为传导电子、质子和氧气，分解氢气，发生氢的水合反应，以及传递和向外排出生成的水。为了提高铂的利用率，促进质子运输，现有催化层制备工艺主要是离聚物浸渍铂/碳催化剂颗粒，离聚物用作粘合剂，促进质子的运输，从而提高催化剂的利用率和有效性。然而，高级的形态学和功能表征显示，多达60％的Pt纳米颗粒会被捕获在碳载体颗粒的微孔中。离聚物簇和氧分子几乎不能进入微孔，导致Pt利用率和有效性低。此外，覆盖Pt纳米颗粒的离聚物薄膜会导致明显的质量传输损失，尤其是在高电流密度下。因此，需要设计不含离聚物的超薄催化剂层来提高催化剂利用率并降低Pt负载。

经过现有技术文献检索发现，中国发明专利CN111224137A公开的一种质子交换膜燃料电池的双功能有序化膜电极，通过气相沉积的方法生长出具有特定长度合密度的碳纳米管阵列，并采用磁控溅射的方法负载贵金属催化层，但该方法工艺较为复杂，难以大规模制备。中国专利CN111384410A公开了一种了具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层，但总体催化层厚度难以减小，且存在离聚物薄膜带来的较高的氧气传输阻力的问题。上述两种方法实现了膜电极催化层的结构控制和贵金属载量控制，但是制备工艺简单、贵金属载量低且兼顾水、气传输性能提升的催化层制备工艺仍然较少。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有燃料电池膜电极贵金属载量偏高、水气综合传输性能不足的缺陷而提供一种通过预拉伸结合沉积工艺制备可控表面屈曲的超薄膜电极的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可控表面屈曲燃料电池膜电极制备方法，包括步骤：

1)采用质子交换膜作为基底，利用定应变的拉伸方法，对质子交换膜进行预拉伸并保持拉伸应变；

2)利用涂层沉积技术在质子交换膜表面沉积，形成纳米厚度的硬质贵金属层，作为燃料电池的催化层；

3)释放经过所需步骤2)的质子交换膜的预应变，通过质子交换膜的回弹和质子交换膜-催化层的刚度差异实现表面屈曲，得到具有纳米结构屈曲的高比表面积纳米催化层，以此作为反应气体及气态水传输通道；

4)对步骤3)得到的表面屈曲催化层进行二次拉伸，二次拉伸方向不平行于预拉伸方向，形成不可恢复的硬质催化层裂纹，作为水与质子的传输通道；