专利名称：一种质子交换膜燃料电池用膜电极的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池膜 电极(Catalyst Coated Membrance，CCM)0
背景技术：
质子交换膜燃料电池中膜电极是质子交换膜燃料电池的核心组件，膜电极主要由 质子交换膜、催化层及扩散层组成。目前应用的膜电极主要有五合一膜电极、三合一膜电极 (CCM)等几种，在电极中催化层一般处于扩散层和质子交换膜之间。催化层是由电催化剂 (如Pt/C、Pt、Pd或其复合物等)及固体聚合物电解质(如Nafion等)构成。扩散层一般 是经过憎水处理的碳纸或碳布。CCM是将阴、阳极催化剂直接涂敷到电解质膜上形成的三合一电极结构。现有公开 报道的CCM结构一般采用在电活性区域整面涂布催化剂的方法来制备催化层(US5330860， USP5415888, US5316871, US5234777)。文献CN1269428A公开了将催化剂与质子导体聚合物混合制成的粉末，直接整面 热压到质子交换膜上，形成CCM三合一组件的技术。以上方法的缺点是电催化剂用量较大， 成本较高。文献CN 1560950A公开了采用激光打印技术制备膜电极的技术，该技术虽可制备 所需不同结构的CCM，但由于膜层太薄，膜在输送过程中容易发热变形，使打印图案发生偏 移，不利于得到理想图案。也有采用间接法合成复合膜电极的。如文献CN1560949A公开的技术，是通过精细 涂布或丝网印刷技术将料浆涂敷到转移介质上，然后通过热压将催化剂层转移到质子交换 膜上制备质子交换膜燃料电池用超薄膜电极。虽然在转移过程中去除了溶剂，减少了膜溶 胀现象。但缺点是工艺复杂，催化剂用量大，大面积催化剂结构必然使催化剂在膜上造成部 分浪费，不能有效利用，且在转移过程中贵金属催化剂浪费现象严重。
发明内容本实用新型的目的是提供一种质子交换膜燃料电池用膜电极(CCM)，在质子交换 膜的部分区域担载正常量的催化剂，其它区域减少催化剂的担载量或不担载催化剂，从而 在不影响膜电极电性能的前提下达到减少催化剂用量，降低成本的目的。本实用新型的目的是通过以下的技术措施实现的一种质子交换膜燃料电池用膜 电极，由在质子交换膜两侧涂布催化层构成，其特征在于所述在质子交换膜两侧涂布的催 化层呈条状分布，在质子交换膜的与流场的凹槽相对应的区域，即质子交换膜与流场的反 应气流道相对应的区域，设置催化层。本实用新型所述的质子交换膜燃料电池用膜电极可用以下的方法制备先制备催 化剂担载量为正常量的催化层浆料和催化剂担载量为正常量的O 80%的催化层浆料，并 将催化剂担载量为正常量的0 80%的催化层浆料均勻涂布在质子交换膜两侧，晾干；预先制备流场模具，模具镂空部分与流场气体流道部分对应，将模具与质子交换膜对齐并固 定，模具用金属、塑料或者木质材料制作。将制备好的催化剂担载量为正常量的催化层浆料 涂敷在模具镂空部分的已涂布过催化剂担载量为正常量的0 80%催化层浆料的质子交 换膜上，将涂敷过催化层浆料的质子交换膜从模具上取出并进行后处理，制得膜电极。本实用新型的优点是(1)减少了贵金属催化剂的担载量，从而大大降低成本；(2)与质子交换膜接触的流场凸起区域减少贵金属催化剂的担载量或不担载催化 剂，与该区域对应的质子交换膜可与水更好接触，从而有利于膜的润湿，增强电池性能；(3)由于催化剂在膜上涂敷面积减少，降低了膜的溶胀变形率，有利于保障CCM的 均勻性和稳定性。本实用新型共有附图
一幅，是本实用新型的膜电极的结构示意图，附图中，1、质子交换膜，2、流场，3、流场凸起，4、流场气体流道，5、催化剂层。实施实例具体实施方式
制备条形流场模具，使模具条形镂空部分刚好与流场气体流道4部分对应，将模 具与质子交换膜1对齐固定。将5%的Nation溶液与20%的Pt/C按1 3的质量配比 超声波振荡，混合均勻，再往其中添加去离子水和甘油，经超声波混合均勻后，再往其中添 加少量5 %的NaOH溶液，形成墨水状溶液，将上述溶液直接喷涂到Na型PEM上，在160 190°C下烘干；用同样的方法在PEM另一侧喷涂墨水状溶液，并烘干，形成薄层CCM ；将制得 的CCM在0. 5mol/L H2S04中煮lh，钠型PEM转变为氢型PEM，再用去离子水清洗，烘干。在 质子交换膜1上形成条形催化剂层5。实施实例2制备条形流场模具，使模具条形镂空部分刚好与流场气体流道4部分对应，将模 具与质子交换膜1对齐固定。采用一级天平称取催化剂Pt 20mg, Ir02 20mg，加入1.6g 5% 的Nation溶液，超声波振荡40min混合均勻，再往其中添加去离子水和甘油，经超声波混合 均勻后，再往其中添加少量5%的NaOH溶液，形成墨水状溶液，将上述溶液直接喷涂到Na型 PEM上，在160 190°C下烘干；用同样的方法在PEM另一侧喷涂墨水状溶液，并烘干，形成 薄层CCM ；将制得的CCM在0. 5mol/L H2S04中煮lh，钠型PEM转变为氢型PEM，再用去离子 水清洗，烘干。在质子交换膜1上形成条形催化剂层5。实施实例3采用等离子溅射法，先在整个膜的表面沉积一层厚度为500nm的Pt。然后制备条 形流场模具，使模具条形镂空部分刚好与流场气体流道4部分对应，将模具与质子交换膜1 对齐固定。再采用等离子溅射法，在膜表面沉积一层厚度为500nm的Pt，再在Pt表面浸渍 Nation/C/异丙醇溶液，干燥后再溅射Pt。如此反复3次。CCM与流场流道4对应处催化 层5厚度为3 6 μ m，Pt的载量为0. 043mg/cm2 ；而流场凸起3处对应的膜上催化剂担载 量为其他部位的25%。
权利要求一种质子交换膜燃料电池用膜电极，由在质子交换膜两侧涂布催化层构成，其特征在于所述在质子交换膜(1)两侧涂布的催化层(5)呈条状分布，在质子交换膜的与流场的凹槽相对应的区域，即质子交换膜与流场的反应气流道(4)相对应的区域设置催化层。
专利摘要一种质子交换膜燃料电池用膜电极，由在质子交换膜两侧涂布催化层构成，其特征在于所述在质子交换膜两侧涂布的催化层，催化层与流场的不同区域相对应的位置，催化层的催化剂的担载量不同在质子交换膜的与流场的凹槽相对应的区域，即质子交换膜的与流场的反应气流道相对应的区域，催化层担载正常量的催化剂，在质子交换膜的与流场的凸起部分相对应的区域，催化层的催化剂担载量为正常量的0～80％。本实用新型的优点是可以大幅度节约贵金属催化剂的用量，降低电池成本，并且有利于膜的润湿和保持CCM的均匀性和稳定性。
文档编号H01M4/86GK201629376SQ20092020303
公开日2010年11月10日 申请日期2009年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者付宇, 吴洪亮, 孙佰文, 潘欢欢 申请人:江苏新源动力有限公司