燃料电池膜电极组件及其制备方法与流程

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极组件及其制备方法。

背景技术：

1、在燃料电池的各种部件中，膜电极组件是燃料电池发生化学反应释放能量的核心场所，膜电极组件的相关制备技术对燃料电池的成本、性能、耐久性等都起到决定性的作用。膜电极组件包括质子交换膜及涂覆于质子交换膜两侧的催化层和扩散层，其中催化剂及催化层的性能则会直接影响膜电极组件的性能。现有技术中催化层多采用调配催化剂浆料，然后一次性喷涂或刮涂的方式使其粘附在质子交换膜上，形成均质的催化层，但催化层往往存在传质性能低、易于水淹的问题。通过制备多孔催化层可以改善上述问题，例如公开号为cn114583187a的专利中，公开一种有序多层阴极催化层膜电极制备方法及用途。将不同醇水比的催化剂浆料依次喷涂/刮涂到质子交换膜上，形成有序的孔隙结构。该专利制备了具有梯度孔隙率的催化层，但通过溶剂挥发来造孔的效果不佳，制备的阴极催化层只有三种梯度，实际应用效果有限。

技术实现思路

1、本发明针对现有的膜电极组件催化层易于水淹的技术问题，提出一种孔隙率和疏水性梯度性变化，能够有效促进水气传输、防止水淹的燃料电池膜电极组件及其制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种燃料电池膜电极组件的制备方法，包括如下步骤，

4、(1)、配制低浓度造孔剂溶液，随后向造孔剂溶液中滴加疏水剂分散液，超声分散均匀，得到造孔剂和疏水剂混合溶液；

5、(2)、将pt/c催化剂和全氟磺酸离聚物分散到溶剂中，超声分散，得到催化剂浆料；

6、(3)、通过三通阀和蠕动泵向喷涂机浆料注射器出料口处泵入造孔剂和疏水剂混合溶液，经超声喷头超声后将催化剂浆料与造孔剂疏水剂混合溶液一起喷到质子交换膜的两面上并及时烘干；其中一面喷涂过程中，每隔一段时间升高泵入造孔剂和疏水剂混合溶液的流量，形成阴极催化层；另一面喷涂过程中泵入造孔剂和疏水剂混合溶液的流量不变，形成阳极催化层；

7、(4)、将步骤(3)得到的膜电极两侧均附上扩散层及边框材料，热压得到膜电极组件。

8、作为优选，所述造孔剂为草酸铵、碳酸铵、草酸和碳酸氢铵中的一种，所述疏水剂为聚四氟乙烯，二氧化硅，氟碳中的一种。

9、作为优选，步骤(1)中造孔剂和疏水剂混合溶液中，造孔剂的浓度为0.1wt％～5wt％，疏水剂的浓度为0.1wt％～5wt％。

10、作为优选，步骤(2)中所述pt/c催化剂浆料中，浆料的i/c比为0.5～1.5，固含量为1wt％～10wt％。

11、作为优选，步骤(2)中溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇、正丁醇、去离子水中的一种或多种。

12、作为优选，步骤(3)中所述催化剂浆料的喷涂速率为100～2000μl/min，吸附台加热温度60～90℃，阳极pt/c催化剂的喷涂当量0.05～0.3mg cm-2，阴极pt/c催化剂的喷涂当量0.1～0.4mg cm-2；所述蠕动泵初始喷涂速率为1μl/min～100μl/min，每隔10～60s蠕动泵速率高1～10μl/min。

13、作为优选，步骤(4)中所述热压温度120～250℃，压力0.1～5mpa，热压时间0.1～5min。

14、作为优选，步骤(2)中所述超声时间为0.1～2h。

15、本发明还提出一种燃料电池膜电极组件，由上述的燃料电池膜电极组件的制备方法制备而成。

16、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

17、本发明通过三通阀和蠕动泵，将造孔剂和疏水剂混合溶液引入至喷涂机的喷涂管路中，实现催化剂浆料喷涂过程中造孔剂和疏水剂浓度连续性梯度变化，从而得到具有孔隙率和疏水性均呈梯度连续变化的阴极催化层，该阴极催化层从质子交换膜向气体扩散层侧孔隙率和疏水性逐渐提高。

18、该燃料电池催化层内部的微孔分布符合水气传输规律，同时疏水性的梯度变化有利于在高功率条件下多余的水从膜电极内部排出，防止催化层发生水淹等情况的发生，从而极大的提高了燃料电池的性能。

技术特征：

1.一种燃料电池膜电极组件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制备方法，其特征在于：所述造孔剂为草酸铵、碳酸铵、草酸和碳酸氢铵中的一种，所述疏水剂为聚四氟乙烯，二氧化硅，氟碳中的一种。

3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极组件的制备方法，其特征在于：步骤(1)中造孔剂和疏水剂混合溶液中，造孔剂的浓度为0.1wt％～5wt％，疏水剂的浓度为0.1wt％～5wt％。

4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述pt/c催化剂浆料中，浆料的i/c比为0.5～1.5，固含量为1wt％～10wt％。

5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制备方法，其特征在于：步骤(2)中溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇、正丁醇、去离子水中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述催化剂浆料的喷涂速率为100～2000μl/min，吸附台加热温度60～90℃，阳极pt/c催化剂的喷涂当量0.05～0.3mg cm-2，阴极pt/c催化剂的喷涂当量0.1～0.4mg cm-2；所述蠕动泵初始喷涂速率为1μl/min～100μl/min，每隔10～60s蠕动泵速率高1～10μl/min。

7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述热压温度120～250℃，压力0.1～5mpa，热压时间0.1～5min。

8.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述超声时间为0.1～2h。

9.一种燃料电池膜电极组件，其特征在于：由权利要求1-8任一项所述的燃料电池膜电极组件的制备方法制备而成。

技术总结
本发明提出一种燃料电池膜电极组件及其制备方法，所述制备方法包括配置低浓度造孔剂和疏水剂混合溶液、配置催化剂浆料、制备孔隙率和疏水性连续梯度变化的催化层、组装膜电极组件等步骤。本发明本发明通过三通阀和蠕动泵，将造孔剂和疏水剂混合溶液引入至喷涂机的喷涂管路中，实现造孔剂和疏水剂在催化剂浆料喷涂过程中其浓度连续性梯度变化，从而得到具有孔隙率和疏水性均呈梯度连续变化的阴极催化层。该燃料电池催化层内部的微孔分布符合水气传输规律，同时疏水性的梯度变化有利于在高功率条件下多余的水从膜电极内部排出，防止催化层发生水淹等情况的发生，从而极大的提高了燃料电池的性能。

技术研发人员：谢佳平,王想,朱维,王岭,沈军
受保护的技术使用者：海卓动力（青岛）能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17