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：
本發(fā)明涉及質(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(CatalystCoatedMembrance， CCM)。
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)。 現(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
本發(fā)明的目的是提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極(CCM)及其制備 方法，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。
本發(fā)明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，催化層與流場的不同區(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)子交換膜的與流場的凹槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，即質(zhì)子交換膜的 與流場的反應(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o
80%。
本發(fā)明所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，其特征在于所述催化層的 催化劑為Pt、 Pd、 Ru和Ir金屬催化劑中的一種或幾種，或者是Pt/C、 Pd/C、 Ru/C、 Ir/C碳載催化劑中的一種或幾種。
本發(fā)明所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極的制備方法，包括在質(zhì)子交 換膜兩側(cè)涂布催化層和催化層涂布完的后處理，其特征在于所述在質(zhì)子交換膜 兩側(cè)涂布催化層包括以下步驟
a、 先制備催化劑擔(dān)載量為正常量的催化層漿料，待用，然后制 備催化劑擔(dān)載量為正常量的0 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，
b、 制備流場模具，模具鏤空部分與流場氣體流道部分對(duì)應(yīng)，
c、 將模具與經(jīng)過步驟a涂布過催化劑擔(dān)載量為正常量的0 80% 的催化層漿料的質(zhì)子交換膜對(duì)齊并固定，
d、 將制備好的正常催化劑擔(dān)載量的催化層漿料涂敷在經(jīng)步驟c 的模具鏤空部分的質(zhì)子交換膜上，使該處催化劑的擔(dān)載量達(dá)到正常水平，
e、 將經(jīng)過步驟d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。
本發(fā)明所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極的制備方法，其特征在于所述的制備流場模具的材料是金屬材料、塑料或者木質(zhì)材料。 本發(fā)明的優(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。


本發(fā)明共有附圖一幅，是本發(fā)明的膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖，
附圖中，1、質(zhì)子交換膜，2、流場，3、流場凸起，4、流場氣體流道，5、
催化劑層。
具體實(shí)施方式
實(shí)施實(shí)例1
制備條形流場模具，使模具條形鏤空部分剛好與流場氣體流道部分對(duì)應(yīng)， 將模具與質(zhì)子交換膜對(duì)齊固定。將5X的Nation溶液與20X的Pt/C按l: 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5X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/LH2SO4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)子交換膜上形成條 形催化劑層。
實(shí)施實(shí)例2
制備條形流場模具，使模具條形鏤空部分剛好與流場氣體流道部分對(duì)應(yīng)， 將模具與質(zhì)子交換膜對(duì)齊固定。采用一級(jí)天平稱取催化劑Pt20mg， IrO2 20mg， 加入1.6g5X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5X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 19(TC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O. 5mol/LH2S04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)子交換膜上形成條形催化劑層。 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500 nm的Pt。然后 制備條形流場模具，使模具條形鏤空部分剛好與流場氣體流道部分對(duì)應(yīng)，將模 具與質(zhì)子交換膜對(duì)齊固定。再采用等離子濺射法，在膜表面沉積一層厚度為500 nm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與流場流道對(duì)應(yīng)處催化層厚度為3 6^im， Pt的載量為0.043 mg /cm2 ，而流場凸起處對(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
1、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)，在與流場(2)不同區(qū)域相對(duì)應(yīng)的位置，催化層(5)的催化劑的擔(dān)載量不同在質(zhì)子交換膜的與流場的凹槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，即質(zhì)子交換膜與流場的反應(yīng)氣流道(4)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)子交換膜與流場的凸起(3)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％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，其特征在于所 述催化層的催化劑為Pt、 Pd、 Ru和Ir金屬催化劑中的一種或幾種，或者是Pt/C、 Pd/C、 Ru/C、 Ir/C碳載催化劑中的一種或幾種。
3、 權(quán)利要求l所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極的制備方法，包括在 質(zhì)子交換膜兩側(cè)涂布催化層和催化層涂布完的后處理，其特征在于所述在質(zhì)子 交換膜兩側(cè)涂布催化層包括以下步驟a、 先制備催化劑擔(dān)載量為正常量的催化層槳料，待用，然后制 備催化劑擔(dān)載量為正常量的0 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，b、 制備流場模具，模具鏤空部分與流場氣體流道部分對(duì)應(yīng)，c、 將模具與經(jīng)過步驟a涂布過催化劑擔(dān)載量為正常量的0 80%的催化層漿料的質(zhì)子交換膜對(duì)齊并固定，d、 將制備好的正常催化劑擔(dān)載量的催化層漿料涂敷在經(jīng)步驟c 的模具鏤空部分的質(zhì)子交換膜上，e、 將經(jīng)過步驟d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。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極的制備方法，其 特征在于所述的制備流場模具的材料是金屬材料、塑料或者木質(zhì)材料。
全文摘要
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，催化層與流場相對(duì)應(yīng)的不同區(qū)域，催化層的催化劑的擔(dān)載量不同在質(zhì)子交換膜與流場的凹槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，即質(zhì)子交換膜的與流場的反應(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％。本發(fā)明的優(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)H01M4/86GK101645508SQ200910187209
公開日2010年2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)明者宇 付, 吳洪亮, 孫佰文, 潘歡歡 申請(qǐng)人:江蘇新源動(dòng)力有限公司