专利名称：一种自呼吸式燃料电池膜电极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术，尤其是一种自呼吸式燃料电池的膜电极。
技术背景近年来，便携式电子产品快速发展，目前市场上的各种电池都是二次电池， 必须经过充电才能再次利用，使用寿命短，并且电池存在着安全隐患和废弃处 理问题。因而开发出功率密度高、使用寿命长、污染小的电池已成研究重点。 目前，氢氧燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接二甲醚燃料电池、硼氢化钠型 燃料电池等燃料电池是最有希望达到上述性能的电源。现有主动式的燃料电池 虽然其能量密度高。但是由于其工作时需要各式各样的辅助设备，因而系统复 杂，体积庞大，不适用于便携式电子产品。常温空气自呼吸式燃料电池可以在 常温下工作，不需要任何辅助设备，能提供便携式电源所需要的功率需求，因 此适用于便携式电子产品，如笔记本电脑、移动电话、个人掌上电脑等。膜电 极是自呼吸式燃料电池的核心组件，通常由阳极扩散层、阳极催化层、质子交 换膜、阴极催化层和阴极扩散层组成。另外对于空气自呼吸式燃料电池来讲， 阴极扩散层可以起到阴极空气过滤保护层的作用，它可以保护其阴极免受空气 当中灰尘等杂质的影响，还可以避免外部液体(如室外雨水、雪水等)对其阴 极的影响，还可以防止阴极水和热量的过分散发而影响电池的性能。电子的集 流、传输是通过在扩散层外侧摆放的集流板来实现，这种集流方式接触电阻大，不利于电堆，特别是自呼吸式燃料电池的集成。美国专利[US 2002/0098402 Al] 介绍了一种具有金属泡沫做集流体的空气自呼吸式燃料电池，直接在两个碳布 做成的扩散层外侧摆放金属泡沫做集流体。但是由于金属泡沫集流体是靠与扩 散层的接触来集流，这样的接触电阻会很大。专利[CN 1591940A]介绍了一种 适用于直接甲醇燃料电池的自呼吸式膜电极，其去除了传统的阴极扩散层，直 接使用多孔金属材料来代替阴极扩散层和集流体。虽然降低了电池的内阻，但 是没有使用阴极扩散层，使得膜电极缺少阴极空气过滤保护层，必然会使膜电 极易受到外界影响，而影响膜电极长时间工作的性能。 发明内容本发明为了解决现有膜电极电子的外集流方式接触电阻大，不利于电堆，特别是自呼吸式燃料电池的集成；CN 1591940A去除了阴极扩散层，使得膜电 极缺少阴极空气过滤保护层，易使膜电极受外界影响，而影响膜电极长时间工 作的性能的问题，提供了一种自呼吸式燃料电池膜电极及其制备方法，解决上 述问题的具体技术方案如下本发明的膜电极由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极扩散层、 多孔金属网状集流体和阴极扩散层组成，多孔金属网状集流体纵向设在阴极催 化层的内部，阳极催化层设在质子交换膜的左侧，阴极催化层设在质子交换膜 的右侧，阳叙催化层的左侧设有阳极扩散层，阴极催化层的右侧设有阴极扩散 层，质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极扩散层、多孔金属网状集流 体和阴极扩散层热压固成一体。制备阳极扩散层和阴极扩散层的聚合物浆料是按重量百分比由碳粉为 60 90%。与聚四氟乙烯聚合物为10 40%混合而成。制备阳极催化层的聚合物浆料是按重量百分比由PtRu/C催化剂为60 90%与全氟磺酸树脂聚合物为10 40%混合而成。制备阴极催化层的聚合物浆料是按重量百分比由Pt/C催化剂为60 90% 与全氟磺酸树脂聚合物为10 40%混合而成。本发明to自呼吸式燃料电池膜电极的制备过程的步骤如下步骤一、制备阳极扩散层将制备阳极扩散层的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在碳布或碳纸 上，在320 360。C的条件下焙烧20 40 min后烘干； 步骤二、制备阴极扩散层将制备阴极扩散层的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在碳布或碳纸 上，在320 360。C的条件下焙烧20 40 min后烘干；步骤三、将多孔金属网状集流体和阴极催化层制成一体将多孔金属网状集流体与阴极催化层在50 150 kg cm—2的压力下、温度 为120 150。C的条件下热压1 5分钟；步骤四、制备阳极催化层
将制备阳极催化层的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在阳极扩散层 的表面上，烘干；步骤五、制备阴极催化层将制备阴极催化层的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在多孔金属网 状集流体的表面上，烘干；步骤六、热压成形膜电极将制备好的阳极催化层的右平面与阴极催化层左平面分别置于质子交换 膜的左右两侧，再将阳极扩散层的右平面置于阳极催化层的左平面，将阴极扩 散层的左平面置于阴极催化层的右平面，将上述合在一起的物体放在热压机内 以50 150 kg cm—2的压力、温度为120 150。C的条件下热压1 5分钟，即制得自呼吸式燃料电池的膜电极。本发明采用内集流的方式，将原本在膜电极外部不属于膜电极部分的导电 集流体设置在膜电极的内部，集流体与阴极催化层整合在一起，使自呼吸式燃 料电池膜电极的电阻降低(降低20%)，提高了膜电极的性能；本发明制备的 膜电极适用于自呼吸式燃料电池，以氢气、甲醇、乙醇、二甲醚、硼氢化钠等 液态或气态形式进料的自呼吸式燃料电池。
图1是本发明膜电极的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1描述本实施方式。本实施方式由质子交换膜1、 阳极催化层2、阴极催化层3、阳极扩散层4、多孔金属网状集流体5和阴极 扩散层6组成，多孔金属网状集流体5纵向设在阴极催化层3的内部，阳极催 化层2设在质子交换膜1的左侧，阴极催化层3设在质子交换膜1的右侧，阳 极催化层2的左侧设有阳极扩散层4，阴极催化层3的右侧设有阴极扩散层6， 质子交换膜l、阳极催化层2、阴极催化层3、阳极扩散层4、多孔金属网状集 流体5和阴极扩散层6热压固成一体。多孔金属网状集流体5为金属冲孔网、金属拉伸网、金属编织网或多孔泡 沫金属。多孔金属网状集流体5的材质为铂、金、银、铜、钛、镍、铬等金属或电
镀金属材料。
具体实施方式
二本实施方式的导线与多孔网状集流体5的凸出端连接。 将电流引出。
具体实施方式
三本实施方式的阳极扩散层4和阴极扩散层6采用碳纸或 碳布(碳纸或碳布是由日本东丽公司生产的产品)上涂抹聚合物浆料。
具体实施方式
四本实施方式制备方法的步骤如下-步骤一、制备阳极扩散层4将制备阳极扩散层4的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在碳布或碳 纸上，在320 360。C的条件下焙烧20 40 min后烘干； 步骤二、制备阴极扩散层6将制备阴极扩散层6的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在碳布或碳 纸上，在320 360。C的条件下焙烧20 40 min后烘干；步骤三、将多孔金属网状集流体5和阴极催化层3制成一体将多孔金属网状集流体5与阴极催化层3在50 150 kg cm—2的压力下、 温度为120 150。C的条件下热压1 5分钟；步骤四、制备阳极催化层2将制备阳极催化层2的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在阳极扩散 层4的表面上，烘干；步骤五、制备阴极催化层3将制备阴极催化层3的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在多孔金属 网状集流体5的表面上，烘干； 步骤六、热压成形膜电极将制备好的阳极催化层2的右平面和阴极催化层3的左平面分别置于质子 交换膜1的左右两侧，再将阳极扩散层4的右平面置于阳极催化层2的左平面， 将阴极扩散层6的左平面置于阴极催化层3的右平面，将以上合在一起的物体 放在热压机上以50 150 kgcm—2的压力、温度为120 150°C的条件下热压l 5分钟，即制得自呼吸式燃料电池的膜电极。
具体实施方式
五本实施方式步骤一和步骤二中的焙烧温度为340。C，焙 烧时间为30 min。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
三的不同点在于步骤五和步骤六中的压力为50kg'cnf2的压力下、温度为15(TC的条件下热压5分钟。其 它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
七:本实施方式与具体实施方式
三的不同点在于步骤五和步 骤六中的压力为100kg cm—2的压力下、温度为135'C的条件下热压3分钟。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
八:本实施方式与具体实施方式
三的不同点在于步骤五和步 骤六中的压力为150kg cm—2的压力下、温度为12(TC的条件下热压2分钟。 其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
九:本实施方式制备阳极扩散层4和阴极扩散层6的聚合物 浆料是按重量百分比由碳粉为60 90%与聚四氟乙烯聚合物为10 40%混合而 成；制备阳极催化层2的聚合物浆料是按重量百分比由PtRu/C催化剂为60 90%与全氟磺酸树脂聚合物为10 40%混合而成；制备阴极催化层3的聚合物 浆料是按重量百分比由Pt/C催化剂为60 90%与全氟磺酸树脂聚合物为10 40%混合而成。
具体实施方式
十本实施方式制备阳极扩散层4和阴极扩散层6的聚合物 浆料是按重量百分比由碳粉为75%与聚四氟乙烯聚合物为25%混合而成。
具体实施方式
十一本实施方式制备阳极催化层2的聚合物浆料是按重量 百分比由PtRu/C催化剂为75%和全氟磺酸树脂聚合物为25%混合而成。
具体实施方式
十二本实施方式制备阴极催化层3的聚合物浆料是按重量 百分比由Pt/C催化剂为75%和全氟磺酸树脂聚合物为25%混合而成。本发明制备的膜电极适用于自呼吸式燃料电池，采用氢气、甲醇、乙醇、 二甲醚、硼氢化钠等以液态或气态形式进料的自呼吸式燃料电池。
权利要求
1、一种自呼吸式燃料电池膜电极，它由质子交换膜(1)、阳极催化层(2)、阴极催化层(3)、阳极扩散层(4)、多孔金属网状集流体(5)和阴极扩散层(6)组成，其特征在于多孔金属网状集流体(5)纵向设在阴极催化层(3)的内部，阳极催化层(2)设在质子交换膜(1)的左侧，阴极催化层(3)设在质子交换膜(1)的右侧，阳极催化层(2)的左侧设有阳极扩散层(4)，阴极催化层(3)的右侧设有阴极扩散层(6)，质子交换膜(1)、阳极催化层(2)、阴极催化层(3)、阳极扩散层(4)、多孔金属网状集流体(5)和阴极扩散层(6)热压压固成一体。
2、 根据权利要求1所述的一种自呼吸式燃料电池膜电极，其特征在于制 备阳极扩散层(4)和阴极扩散层(6)的聚合物浆料是按重量百分比由碳粉为 60 90%与聚四氟乙烯聚合物为10 40%混合而成。
3、 根据权利要求1所述的一种自呼吸式燃料电池膜电极，其特征在于制 备阳极催化层(2)的聚合物浆料是按重量百分比由PtRu/C催化剂为60 9096 和全氟磺酸树脂聚合物为10 40%混合而成。
4、 根据权利要求l所述的一种自呼吸式燃料电池膜电极，其特征在于制 备阴极催化层(3)的聚合物浆料是按重量百分比由Pt/C催化剂为60 90呢和 全氟磺酸树脂聚合物为10 40%混合而成。
5、 根据权利要求1所述的一种自呼吸式燃料电池膜电极，其特征在于多 孔金属网状集流体(5)为金属冲孔网、金属拉伸网、金属编织网或多孔泡沫 金属。
6、 制备权利要求l所述的自呼吸式燃料电池膜电极的方法，其特征在于 该方法的步骤如下步骤一、制备阳极扩散层(4)将制备阳极扩散层(4)的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在碳布 或碳纸上，在320 360。C的条件下焙烧20 40 min后烘干； 步骤二、制备阴极扩散层(6)将制备阴极扩散层(6)的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在碳布 或碳纸上，在320 360。C的条件下焙烧20 40 min后烘干；步骤三、将多孔金属网状集流体和阴极催化层(3)制成一体 将多孔金属网状集流体(5)与阴极催化层(3)在50 150kg'cm—2的压 力下、温度为120 15(TC的条件下热压1 5分钟； 步骤四、制备阳极催化层(2)将制备阳极催化层(2)的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在阳极 扩散层(4)的表面上，烘干；步骤五、制备阴极催化层(3)将制备阴极催化层(3)的聚合物浆料经超声波振荡分散后，涂抹在多孔 金属网状集流体(5)的表面上，烘干； 步骤六、热压成形膜电极将制备好的阳极催化层(2)的右平面与阴极催化层(3)的左平面分别置 于质子交换膜(1)的左右两侧，再将阳极扩散层(4)的右平面置于阳极催化 层(2)的左平面，将阴极扩散层(6)的左平面置于阴极催化层(3)的右平 面，将以上合在一起的物体放在热压机上以50 150 kg cm—2的压力、温度为 120 15(TC的条件下热压1 5分钟，即制得自呼吸式燃料电池膜电极。.
7、 根据权利要求6所述的自呼吸式燃料电池膜电极的制备方法，其特征 在于步骤一和步骤二中的焙烧温度为34(TC，焙烧时间为30 min。
8、 根据权利要求6所述的自呼吸式燃料电池膜电极的制备方法，其特征 在于步骤五和步骤六中的压力为50kg cm—2的压力下、温度为15(TC的条件下 热压5分钟。
9、 根据权利要求6所述的自呼吸式燃料电池膜电极的制备方法，其特征 在于步骤五和步骤六中的压力为100kg* cm—2的压力下、温度为135。C的条件 下热压3分钟。
10、 根据权利要求6所述的自呼吸式燃料电池膜电极的制备方法，其特征 在于步骤五和步骤六中的压力为150kg* cnf2的压力下、温度为120。C的条件 下热压2分钟。
全文摘要
一种自呼吸式燃料电池膜电极及其制备方法，它涉及燃料电池膜电极及制备方法。它解决了现有膜电极电子的集流方式接触电阻大，不利于电堆集成的问题。本发明的膜电极的多孔金属网状集流体(5)纵向设在阴极催化层(3)的内部，质子交换膜(1)、阳极催化层(2)、阴极催化层(3)、阳极扩散层(4)、多孔金属网状集流体(5)和阴极扩散层(6)热压压固成一体。制备方法为1.制备阳极扩散层；2.制备阴极扩散层；3.将多孔金属网状集流体和阴极催化层制成一体；4.制备阳极催化层；5.制备阴极催化层；6.热压成形膜电极。本发明采用内集流的方式，使自呼吸式燃料电池降低了膜电极的电阻，提高了膜电极的性能。
文档编号H01M8/02GK101159333SQ20071014438
公开日2008年4月9日 申请日期2007年9月28日 优先权日2007年9月28日
发明者鹏 刘, 史鹏飞, 尹鸽平, 左朋建, 健 张, 杜春雨, 王振波, 程新群, 蔡克迪, 赖勤志 申请人:哈尔滨工业大学