催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极及其制备方法技术

催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，由阴、阳电极和置于其中的电解质膜组成，阴、阳电极的催化层由在多孔的膨胀ＰＴＦＥ薄膜的两面喷涂电催化剂和电解质构成，催化层的面积略小于电解质膜的面积，电极扩散层的面积小于催化层的面积。复合膜电极的制备方法是在多孔ＰＴＦＥ膜的两面喷涂含有催化剂和电解质溶液的催化剂溶液，晾干制成催化层膜，在电解质膜的两面热压上催化层膜，制成组合件，在组合件的两面热压上扩散层，制成复合膜电极。本发明专利技术的积极效果是：由于催化层采用ＰＴＦＥ增强，使催化层具有良好的机械强度，复合在电解质膜两面，可分担电解质膜所承担的机械应力，从而使更薄的电解质膜得到应用，可大幅度提高膜电极的发电性能。

【技术实现步骤摘要】
催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极及其制备方法
本专利技术属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及复合膜电极及制备方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接把储存在燃料和氧化剂内的化学能转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、功率密度大，环境友好等优点，在地面分散发电、交通运输和便携电源等领域里具有巨大的应用前景。质子交换膜燃料电池的核心是由两张电极和置于其中的电解质膜构成的膜电极组件。其中两张电极分别是阳极和阴极，均由催化层和扩散层构成；电解质膜是一张薄薄的固体聚合物电解质。为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能，需要提高电解质膜的电导率，电解质膜的电导率与膜的厚度相关，为了改善电解质膜的电导率，膜的厚度越来越薄，由178μm(Nafion117)减薄到了50μm(Nafion112)，甚至20~30μm(Nafion111)。但是在使用过程中，由于受到阴/阳极压力差变化、温度变化和膜的溶涨/收缩的冲击，电解质膜非常容易破裂，特别是膜与电极四周的结合部。为此，提出了复合膜的概念，即膜是由导质子的固体聚合物电解质和不导质子的支撑材料构成，支撑材料通常是多孔的，聚合物电解质以溶液的形式被浸入孔中，再固化成复合膜。戈尔(Gore)公司提供的是利用薄的多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜在全氟磺酸树脂内浸渍，制备成复合离子交换膜。3M公司采用首先利用固体聚合物电解质部分充满多孔膜的微孔，再将电极与这张没有完全充满电解质的微孔膜热压在一起，使部分电极材料填充到那些没有电解质的微孔内，制备复合膜电极。Johnson matthey公司利用自由取向的玻璃纤维、陶瓷或聚合物多孔膜为基膜，浸渍Nafion等离子导体制备复合膜。上述复合膜的特点是在整个膜中，电解质只占一定比例，这样其电导率就比相同厚度的均质膜小，为了补偿这一不足，复合膜通常做的很薄，如戈尔膜-->在20μm左右。现有技术中膜电极的不足之处是膜电极的强度集中在膜上，膜在承受着各种应力，而电极的扩散层只起到一个支撑作用，对应力变化，催化层基本不起作用。这样就限制了更薄的电解质膜的应用，也限制了燃料电池性能进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中只用膜承受各种应力的不足，提供一种可用更薄的电解质膜的复合增强膜电极及其制备方法。本专利技术的基本出发点是：利用质子交换膜燃料电池膜电极的催化层可以制备到扩散层，也可以制备到电解质膜上的特点，使催化层自成一体并具有良好的机械强度，用自成一体的催化层来分担膜所承担的机械应力，从而可以使电解质膜更薄，即电解质膜可采用超薄膜。本专利技术的技术解决方案是；催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，膜电极由阴、阳电极和置于其中的电解质膜组成，其特征在于所述的阴、阳电极的催化层由在多孔的膨胀PTFE薄膜的两面喷涂电催化剂和固体聚合物电解质构成，催化层的面积略小于电解质膜得面积，所述的电极的扩散层的面积小于催化层的面积，所述的电解质模是超薄膜。本专利技术的催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，其特征在于所述的催化层的周边比电解质膜的周边小1~2毫米，催化层周边比扩散层周边大3-5毫米，所述的电解质膜得膜厚为10-15微米。本专利技术的催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，其特征在于所述的所述的多孔的膨胀PTFE薄膜的厚度为10μm~20μm，空隙率大于80％。本专利技术的催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，其特征在于所述的电催化剂和固体聚合物电解质为Pt/C和Nafion。催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极制备方法，包括以下步骤：1、用乙醇水溶液在溶器内润湿Pt/C催化剂。2、再向容器内加入5％的Nafion溶液，Pt/C∶Nafion(干重)为3∶1，3、向盛有Pt/C催化剂和Nafion溶液的容器内加入乙丙醇，在超声波内振荡均匀，制得催化剂溶液。4、用喷笔均匀地把催化剂溶液喷涂在多孔PTFE膜的两面，室温凉干，制-->得催化层膜。5、在Nafion111膜的两面分别放一张制得的催化层膜，并使催化层膜的周边小于Nafion111膜的周边1~2毫米，在热压机上热压，得到催化层与与膜的组合件。6、再分别在膜的组合件的两面放上扩散层，采取与第五步骤相同的热压方法热压上扩散层，制得膜电极。本专利技术的催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极制备方法，其特征在于所述的热压制得的催化层与膜的组合件的热压温度为摄氏145度，压力为15MPa，热压时间为1分钟。本专利技术具有以下的积极效果：1、由于电极的催化层采用PTFE增强，使得阴、阳极催化层具有良好的机械强度，复合在电解质膜两面，可以有效的分担电解质膜所承担的机械应力，从而使更薄的电解质膜得到应用。2、由于薄电解质膜比厚的电解质膜具有高电导性和低电阻率，从而可大幅度提高膜电极的发电性能。3、增强催化层与超薄电解质膜的复合，使得膜电极既有均质膜的高电导性和低电阻率的优点又有复合膜的高机械强度的优点，适用范围更广。附图说明本专利技术共有附图二幅，图1是本专利技术的复合膜电极的结构示意图，图2是本专利技术的复合膜电极的单电池性能曲线图。附图中，1、催化层    2、电解质膜    3、扩散层具体实施方式称取100mg 20％的Pt/C催化剂，放入150ML的烧杯内，用50％的乙醇水溶液10mL润湿，再加入5％的Nafion溶液600mL，保证Pt/C∶Nafion(干重)为3∶1。加入适量的乙丙醇后，在超声波内振荡均匀，制得催化剂溶液。用喷笔均匀-->地把催化剂溶液喷涂在厚度为10μm左右，面积为50cm2，空隙率大于80％的多孔PTFE膜的两面，室温凉干，裁成两片催化层膜，分别放在一张厚度为25μm的Nafion111膜的两面，放置时，使催化层膜的面积比Nafion111膜的面积略小，周边均小1~2毫米，然后在热压机上于摄氏145度，15MPa下热压1分钟，得到催化层与与膜的组合件，再分别在组合件两面，采取相同的热压条件热压上扩散层，就制得本专利技术的膜电极。本文档来自技高网...

【技术保护点】
催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，由阴、阳电极和置于其中的电解质膜组成，其特征在于所述的阴、阳电极的催化层由在多孔的膨胀ＰＴＦＥ薄膜的两面喷涂电催化剂和固体聚合物电解质构成，催化层的面积略小于电解质膜得面积，所述的电极的扩散层的面积小于催化层的面积，所述的电解质膜是超薄膜。

【技术特征摘要】
1、催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，由阴、阳电极和置于其中的电解质膜组成，其特征在于所述的阴、阳电极的催化层由在多孔的膨胀PTFE薄膜的两面喷涂电催化剂和固体聚合物电解质构成，催化层的面积略小于电解质膜得面积，所述的电极的扩散层的面积小于催化层的面积，所述的电解质膜是超薄膜。2、根据权利要求1所述的催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，其特征在于所述的催化层的面积其周边比电解质膜的周边小1~2毫米，催化层周边比扩散层周边大3-5毫米，所述的电解质膜得膜厚为10-15微米。3、根据权利要求1所述的催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，其特征在于所述的所述的多孔的膨胀PTFE薄膜的厚度为10μm~20μm，空隙率大于80％。4、根据权利要求1所述的催化层支撑质子交换膜燃料电池复合膜电极，其特征在于所述的电催化剂和固体聚合物电解质为Pt/C和Nafion。5、催化层支撑质子交换膜燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐洪峰，明平文，侯中军，阳贻华，刘常福，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]