專利名稱：一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池的電極及其制備方法，特別是一種質(zhì)子交換膜燃料電池用的膜電極及其制備方法。
背景技術(shù)：
膜電極(Membrane Electrode Assembly，MEA)是質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)對質(zhì)子交換膜燃料電池的整體性能有著十分重要的影響。在衣寶廉著《燃料電池——原理·技術(shù)·應用》一書中介紹了傳統(tǒng)PEMFC膜電極的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，是五層結(jié)構(gòu)，由燃料擴散層4、多孔陽極催化層2、質(zhì)子交換膜1、多孔陰極催化層3和氧氣擴散層5構(gòu)成。擴散層通常為經(jīng)過聚四氟乙烯PTFE憎水處理的碳布或者碳紙，其主要的作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)、為電極反應提供電子、氣體和排水通道。催化層是膜電極的核心部分，是電池反應的場所，由催化劑和粘接劑組成。質(zhì)子交換膜除了可提供質(zhì)子從陽極傳遞到陰極的通道，還起到防止陰、陽極短路和反應氣互串的作用。
除了膜電極中各部分材料本身性能外，其結(jié)構(gòu)以及其制備工藝是PEMFC研究中的關(guān)鍵技術(shù)，決定了PEMFC的電化學性能和實用進程。
關(guān)于傳統(tǒng)膜電極的制備方法，如今存在很多種不同的方法。中國專利CN1201270中描述了一種通用的制備方法將催化劑與一定量的溶劑、粘結(jié)劑和質(zhì)子交換樹脂一起混合，然后經(jīng)過超聲波分散均勻后，將催化劑漿料均勻涂覆在擴散層上，再進行干燥，然后再在催化劑層表面涂一層質(zhì)子交換樹脂溶液。最后將兩張復合催化劑的擴散層夾住一張質(zhì)子交換膜，在一定的溫度和壓力下熱壓制成MEA。
另外，中國專利CN1471186中描述了轉(zhuǎn)印膜電極的制備方法。首先將催化劑與一定量的溶劑、粘結(jié)劑和質(zhì)子交換樹脂混合均勻，然后涂覆在轉(zhuǎn)印的薄片上，待催化劑漿料干燥后，在高溫高壓條件下將附有催化層的薄片與質(zhì)子交換膜壓合，再把薄片剝離，將催化劑復合到質(zhì)子交換膜上，然后將其與擴散層熱壓制成MEA。
由于PEMFC傳統(tǒng)膜電極是五層結(jié)構(gòu)，造成膜電極的制備過程繁瑣，增大膜電極中層與層之間的接觸電阻，在燃料電池使用過程中易造成催化層與擴散層的分離脫落，降低膜電極的時間穩(wěn)定性，極大影響燃料電池的電化學性能和壽命。另外，膜電極的擴散層均采用經(jīng)過聚四氟乙烯PTFE憎水處理的碳布或者碳紙，雖然可保證使用過程中具有足夠的強度，但由于加入較多非導電性的憎水材料，進而造成擴散層電阻率大，孔隙率及結(jié)構(gòu)不合理，無定向排水和輸氣的通道，影響了燃料電池性能。
靜電植絨技術(shù)是利用在高壓靜電場中，兩個帶有不同電荷的物體同性相斥、異性相吸的物理特性而實現(xiàn)的。靜電發(fā)生器產(chǎn)生的高壓靜電場，一端連到有絨毛纖維的金屬絲網(wǎng)上，另一端接到涂有粘合劑的植絨基材的金屬平板上，由于靜電效應，帶電纖維可按一定角度植入到涂有粘合劑的植絨基材上，形成穩(wěn)定的纖維薄膜。中國專利CN2344096中介紹了多種活性碳纖維靜電植絨制品，可在紡織面料、包鮮材料、空氣過濾材料、裝飾材料等方面應用。中國專利CN1316354中介紹了靜電植絨技術(shù)在汽車的多側(cè)面及復雜曲面的零部件方面的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，減少膜電極組成層數(shù)，簡化制備工藝，增大膜電極穩(wěn)定性，使擴散層中同時具有通暢的電子、質(zhì)子及液體、氣體的傳遞通道。
本發(fā)明一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極由三層組成，中間層為質(zhì)子交換膜，兩側(cè)分別是多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層；其中質(zhì)子交換膜為全氟質(zhì)子交換膜，厚度為10～200微米，離子交換容量為0.3～1.5mmol./g；多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層均是由質(zhì)量比為0.05～20∶1∶0.01～10的催化劑、粘結(jié)劑和碳纖維組成，厚度為8～5000微米，外表面全部為碳纖維組成，厚度為5～3000微米；碳纖維分布于多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層中或分布于表層或表面；碳纖維在多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層中的體積份數(shù)為1～90％；多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層外表面的碳纖維為無紡碳纖維或者與質(zhì)子交換膜平面成0～180度有序排列，且碳纖維之間以0～180度相互交織，并以多孔形式存在，孔隙率為1～95％。
本發(fā)明使用的催化劑為碳載Pt催化劑或者Pt與Ru的質(zhì)量比為1∶0～2的碳載Pt-Ru催化劑，其中碳載Pt催化劑和碳載Pt-Ru催化劑中Pt的含量為10～60wt％。
本發(fā)明使用的粘結(jié)劑為全氟質(zhì)子交換樹脂或者全氟質(zhì)子交換樹脂和濃度為60～80wt％的聚四氟乙烯乳液的混合物，其中全氟質(zhì)子交換樹脂和聚四氟乙烯乳液的質(zhì)量比為1∶0～5，全氟質(zhì)子交換樹脂的離子交換容量為0.3～1.5mmol./g。
本發(fā)明使用的碳纖維為活性碳纖維、石墨碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維或者其混合物，碳纖維的長度分布在0.01～20毫米之間，碳纖維的直徑在5～500微米之間。
本發(fā)明一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極的制備方法如下，以下均以質(zhì)量份表示(1)在150～300℃下，將全氟質(zhì)子交換樹脂溶解到溶劑中，得到濃度為5～15wt％的樹脂溶液，然后分別將0.5～300份的碳載Pt催化劑或者Pt與Ru的質(zhì)量比為1∶0～2的碳載Pt-Ru催化劑和0～100份的聚四氟乙烯乳液投入到100份的樹脂溶液中，混合均勻制成催化劑漿料，其中碳載Pt催化劑和碳載Pt-Ru催化劑中Pt含量為10～60wt％，將催化劑漿料分別通過噴涂、浸漬或濺射方法，復合到全氟質(zhì)子交換膜的雙面上，在60～130℃下干燥10～120分鐘，整平后再在全氟質(zhì)子交換膜雙面涂刷催化劑漿料，涂刷催化劑漿料層厚度為1～100微米，催化劑Pt在全氟質(zhì)子交換膜上的總載量為0.1～4.0mg/cm2，得到涂刷催化劑漿料的全氟質(zhì)子交換膜；(2)將直徑在5～500微米之間的碳纖維長絲切短，使碳纖維長度在0.01～10毫米之間，得到碳纖維；然后分別將涂刷催化劑漿料的全氟質(zhì)子交換膜和碳纖維放置到靜電植絨裝置的接收屏和進料斗中，其中接收屏采用二維或者三維轉(zhuǎn)動式設計，然后在電壓為1～100千伏、兩電極極板距離為2～30厘米的條件下靜電植絨，將碳纖維按與全氟質(zhì)子交換膜平面成0～180度均勻植入或無序植入到涂刷催化劑漿料的全氟質(zhì)子交換膜雙面上，然后順時針0～180度轉(zhuǎn)動接收屏進行第二次靜電植絨，得到帶催化擴散層的全氟質(zhì)子交換膜，其中植入的碳纖維之間以0～180度相互交織，碳纖維在催化擴散層中的體積份數(shù)為1～90％，催化擴散層外表面碳纖維層的厚度為5～3000微米，孔隙率在1～95％之間；(3)將帶催化擴散層的全氟質(zhì)子交換膜在60～150℃下烘干1～120分鐘，使植入的碳纖維固定在催化擴散層中，得到一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極。
本發(fā)明使用的溶劑為有機溶劑或者體積比為1∶1～10的水與有機溶劑的混合溶劑，其中有機溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇、丙三醇、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、碳酸丙烯酯或其混合物。
本發(fā)明一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，具有下述優(yōu)點1.碳纖維植入到膜電極的多孔陰極擴散催化層和多孔陽極擴散催化層中，使膜電極的擴散層和催化層成為統(tǒng)一整體，將傳統(tǒng)的五層膜電極結(jié)構(gòu)簡化成三層結(jié)構(gòu)，圖1為現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極結(jié)構(gòu)示意圖，其中1是質(zhì)子交換膜，2和3是催化層，4和5是擴散層，催化層與擴散層的界面明顯，易導致膜電極內(nèi)層與層之間產(chǎn)生較大的接觸電阻，圖2為本發(fā)明的一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極結(jié)構(gòu)示意圖，其中1是質(zhì)子交換膜，2和3是催化擴散層，由于碳纖維直接植入到涂刷催化劑和粘結(jié)劑的質(zhì)子交換膜上，進而將傳統(tǒng)膜電極的催化層和擴散層成為統(tǒng)一整體，從而簡化了膜電極的制備工藝，提高了膜電極催化層和擴散層的結(jié)合能力，減少了層與層之間的接觸電阻，改善了膜電極的電化學性能，在電流密度為300mA/cm2的條件下，電池的放電功率增加13～22％。
2.采用碳纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳紙或者碳布作為膜電極擴散層材料，并利用靜電植絨技術(shù)植入到膜電極上，使得膜電極外表面的碳纖維層中孔隙率可控，且具有連續(xù)、直通、定向的液體和氣體傳遞通道的結(jié)構(gòu)，進而提高了膜電極的氣體快速擴散和水分及時排出的能力，保證氣體快速擴散和水分及時排出。
3.利用靜電植絨技術(shù)，使膜電極外表面的碳纖維以0～180度相互交織，從而增強了碳纖維在膜電極上的機械強度和時間穩(wěn)定性。
本發(fā)明所述的膜電極可用于氫/氧(空)類質(zhì)子交換膜燃料電池、直接醇類燃料電池、直接醚類燃料電池、直接肼類燃料電池的膜電極制備。


圖1為現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下實施例是對本發(fā)明做進一步說明，但不局限于本發(fā)明的范圍。
以下實施例使用的全氟質(zhì)子交換膜有山東東岳神舟新材料有限公司的CHFM1150膜，其厚度為50微米，離子交換容量為0.91mmol./g；或者山東東岳神舟新材料有限公司的CHFM10125膜，其厚度為125微米，離子交換容量為1.0mmol./g；或者美國杜邦公司的Nafion112膜，其厚度約為50微米，離子交換容量為0.91mmol./g。
以下實施例使用的全氟質(zhì)子交換樹脂有山東東岳神舟新材料有限公司的CHF1000樹脂，離子交換容量為1.0mmol./g；或者美國杜邦公司的Nafion樹脂，離子交換容量為0.91mmol./g。
實施例1(1)在200℃下，將CHF1000樹脂溶解到N，N-二甲基甲酰胺中，得到濃度為5wt％的樹脂溶液，然后將1份的碳載Pt催化劑投入到100份的樹脂溶液中，混合均勻制成催化劑漿料，其中碳載Pt催化劑中Pt含量為20wt％，將催化劑漿料通過噴涂方法，復合到CHFM1150膜的雙面上，在80℃下干燥60分鐘，整平后再在CHFM1150膜雙面涂刷催化劑漿料，催化劑Pt在CHFM1150膜上的總載量為1.0mg/cm2，得到涂刷催化劑漿料的CHFM1150膜；(2)將直徑在50～100微米之間的活性碳纖維長絲切短，使活性碳纖維長度在0.01～5毫米之間，得到碳纖維；然后分別將涂刷催化劑漿料的CHFM1150膜和碳纖維放置到靜電植絨裝置的接收屏和進料斗中，然后在電壓為2千伏、兩電極極板距離為5厘米的條件下靜電植絨，將碳纖維與CHFM1150膜平面成90度植入到涂刷催化劑漿料的CHFM1150膜雙面，然后順時針45度轉(zhuǎn)動接收屏進行第二次靜電植絨，得到帶催化擴散層的CHFM1150膜，其中植入的碳纖維之間以45度相互交織，碳纖維在催化擴散層中的體積份數(shù)為78％，催化擴散層外表面碳纖維層的厚度為100～300微米，孔隙率在90％；(3)將帶催化擴散層的CHFM1150膜在80℃下烘干10分鐘，使植入的碳纖維固定在催化擴散層中，得到一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極。
實施例2(1)在200℃下，將CHF1000樹脂溶解到體積比為1∶5的水和N，N-二甲基甲酰胺混合溶劑中，得到濃度為5wt％的樹脂溶液，然后將5份的碳載Pt催化劑投入到100份的樹脂溶液中，混合均勻制成催化劑漿料，其中碳載Pt催化劑中Pt含量為20wt％，將催化劑漿料通過噴涂方法，復合到CHFM1150膜的雙面上，在80℃下干燥60分鐘，整平后再在CHFM1150膜雙面涂刷催化劑漿料，催化劑Pt在CHFM1150膜上的總載量為1.0mg/cm2，得到涂刷催化劑漿料的CHFM1150膜；(2)將直徑在250～400微米之間的石墨碳纖維長絲切短，使石墨碳纖維長度在0.01～5毫米之間，得到碳纖維；然后分別將涂刷催化劑漿料的CHFM1150膜和碳纖維放置到靜電植絨裝置的接收屏和進料斗中，然后在電壓為100千伏、兩電極極板距離為12厘米的條件下靜電植絨，將碳纖維與CHFM1150膜平面成90度植入到涂刷催化劑漿料的CHFM1150膜雙面，然后順時針60度轉(zhuǎn)動接收屏進行第二次靜電植絨，得到帶催化擴散層的CHFM1150膜，其中植入的碳纖維之間以60度相互交織，碳纖維在催化擴散層中的體積份數(shù)為72％，催化擴散層外表面碳纖維層的厚度為1000～1500微米，孔隙率在85％；(3)將帶催化擴散層的CHFM1150膜在80℃下烘干10分鐘，使植入的碳纖維固定在催化擴散層中，得到一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極。
實施例3(1)在200℃下，將CHF1000樹脂溶解到N，N-二甲基乙酰胺中，得到濃度為5wt％的樹脂溶液，然后將200份的碳載Pt催化劑投入到100份的樹脂溶液中，混合均勻制成催化劑漿料，其中碳載Pt催化劑中Pt含量為40wt％，將催化劑漿料通過噴涂方法，復合到CHFM10125膜的雙面上，在80℃下干燥60分鐘，整平后再在CHFM10125膜雙面涂刷催化劑漿料，催化劑Pt在CHFM10125膜上的總載量為1.0mg/cm2，得到涂刷催化劑漿料的CHFM10125質(zhì)子交換膜；(2)將直徑在10～50微米之間的聚丙烯腈基碳纖維長絲切短，使聚丙烯腈基碳纖維長度在0.01～5毫米之間，得到碳纖維；然后分別將涂刷催化劑漿料的CHFM101250膜和碳纖維放置到靜電植絨裝置的接收屏和進料斗中，然后在電壓為10千伏、兩電極極板距離為10厘米的條件下靜電植絨，將碳纖維與CHFM101250膜平面成90度植入到涂刷催化劑漿料的CHFM101250膜雙面，然后順時針60度轉(zhuǎn)動接收屏進行第二次靜電植絨，得到帶催化擴散層的CHFM10125膜，其中植入的碳纖維之間以60度相互交織，碳纖維在催化擴散層中的體積份數(shù)為80％，催化擴散層外表面碳纖維層的厚度為400～500微米，孔隙率在86％；(3)將帶催化擴散層的CHFM10125膜在80℃下烘干10分鐘，使植入的碳纖維固定在催化擴散層中，得到一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極。
實施例4(1)在200℃下，將Nafion樹脂溶解到二甲基亞砜中，得到濃度為5wt％的樹脂溶液，然后分別將15份Pt與Ru的質(zhì)量比為1∶1的碳載Pt-Ru催化劑和2.5份濃度為70wt％的聚四氟乙烯乳液投入到100份的樹脂溶液中，混合均勻制成催化劑漿料，其中碳載Pt-Ru催化劑中Pt含量為40wt％，將催化劑漿料通過噴涂方法，復合到Nafion112膜的雙面上，在80℃下干燥60分鐘，整平后再在Nafion112膜雙面涂刷催化劑漿料，催化劑Pt在Nafion112膜上的總載量為0.5mg/cm2，得到涂刷催化劑漿料的Nafion112膜；(2)將直徑在10～50微米之間的活性碳纖維長絲切短，使活性碳纖維長度在0.01～5毫米之間，得到碳纖維；然后分別將涂刷催化劑漿料的Nafion112膜和碳纖維放置到靜電植絨裝置的接收屏和進料斗中，然后在電壓為30千伏、兩電極極板距離為10厘米的條件下靜電植絨，將碳纖維與Nafion112膜平面成90度植入到涂刷催化劑漿料的Nafion112膜雙面，然后順時針30度轉(zhuǎn)動接收屏進行第二次靜電植絨，得到帶催化擴散層的Nafion112膜，其中植入的碳纖維之間以30度相互交織，碳纖維在催化擴散層中的體積份數(shù)為82％，催化擴散層外表面碳纖維層的厚度為400～500微米，孔隙率在90％；
(3)將帶催化擴散層的Nafion112膜在80℃下烘干10分鐘，使植入的碳纖維固定在催化擴散層中，得到一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極。
對比例1采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)印膜電極制備方法作為對比例。首先將5份的碳載Pt催化劑與100份的5wt％Nafion的N，N-二甲基乙酰胺溶液混合均勻得到催化劑漿料，其中碳載Pt催化劑中Pt含量為40wt％，然后將催化劑漿料涂覆在轉(zhuǎn)印的聚四氟乙烯薄片上，待催化劑漿料在室溫下干燥后，在100℃、5MPa的條件下將附有催化層的薄片與Nafion112膜壓合，再把薄片剝離，使催化層復合到Nafion112膜表面，然后重復以上步驟，將催化層復合到Nafion112膜的另一面，得到帶催化層的Nafion112膜，催化劑Pt在Nafion112膜上的總載量為1.0mg/cm2，然后將經(jīng)過聚四氟乙烯處理的碳紙作為擴散層材料，將其與帶催化層的Nafion112膜在130℃、8MPa的條件下熱壓80s制成膜電極。
將實施例1、實施例2、實施例3和對比例1制備的膜電極與一側(cè)開有平行溝槽的石墨板材質(zhì)的集流板組裝成單電池，進行性能測試。膜電極測試的有效面積為25cm2。測試操作條件電池溫度為60℃，H2加濕溫度為85℃，O2加濕溫度為90℃，H2壓力為10Psi，O2壓力為15Psi，H2和O2的流量控制在工作電流為300mA/cm2狀態(tài)下，化學計量比為1∶1.5。測試結(jié)果見下表表1

上述膜電極性能測試結(jié)果表明，本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極的電化學性能明顯高于傳統(tǒng)膜電極的電化學性能。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，其特征在于結(jié)構(gòu)如下由三層組成，中間層為質(zhì)子交換膜，兩側(cè)分別是多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層；其中質(zhì)子交換膜為全氟質(zhì)子交換膜，厚度為10～200微米，離子交換容量為0.3～1.5mmol./g；多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層均是由質(zhì)量比為0.05～20∶1∶0.01～10的催化劑、粘結(jié)劑和碳纖維組成，厚度為8～5000微米，外表面全部為碳纖維組成，厚度為5～3000微米；碳纖維均勻分布于多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層中或分布于表層或表面；碳纖維在多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層中的體積份數(shù)為1～90％；多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層外表面的碳纖維為無紡碳纖維或者與質(zhì)子交換膜平面成0～180度有序排列，且碳纖維之間以0～180度相互交織，并以多孔形式存在，孔隙率為1～95％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，其特征是催化劑為碳載Pt催化劑或者Pt與Ru的質(zhì)量比為1∶0～2的碳載Pt-Ru催化劑，其中碳載Pt催化劑和碳載Pt-Ru催化劑中Pt的含量為10～60wt％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，其特征是粘結(jié)劑為全氟質(zhì)子交換樹脂或者全氟質(zhì)子交換樹脂和濃度為60～80wt％的聚四氟乙烯乳液的混合物，其中全氟質(zhì)子交換樹脂和聚四氟乙烯乳液的質(zhì)量比為1∶0～5，全氟質(zhì)子交換樹脂的離子交換容量為0.3～1.5mmol./g。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極，其特征是碳纖維為活性碳纖維、石墨碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維或者其混合物，碳纖維的長度分布在0.01～20毫米之間，碳纖維的直徑在5～500微米之間。
5.如權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極的制備方法，其特征在于制備方法如下，以下均以質(zhì)量份表示(1)在150～300℃下，將全氟質(zhì)子交換樹脂溶解到溶劑中，得到濃度為5～15wt％的樹脂溶液，然后分別將0.5～300份的碳載Pt催化劑或者Pt與Ru的質(zhì)量比為1∶0～2的碳載Pt-Ru催化劑和0～100份的聚四氟乙烯乳液投入到100份的樹脂溶液中，混合均勻制成催化劑漿料，其中碳載Pt催化劑和碳載Pt-Ru催化劑中Pt含量為10～60wt％，將催化劑漿料分別通過噴涂、浸漬或濺射方法，復合到全氟質(zhì)子交換膜的雙面上，在60～130℃下干燥10～120分鐘，整平后再在全氟質(zhì)子交換膜雙面涂刷催化劑漿料，涂刷催化劑漿料層厚度為1～100微米，催化劑Pt在全氟質(zhì)子交換膜上的總載量為0.1～4.0mg/cm2，得到涂刷催化劑漿料的全氟質(zhì)子交換膜；(2)將直徑在5～500微米之間的碳纖維長絲切短，使碳纖維長度在0.01～10毫米之間，得到碳纖維；然后分別將涂刷催化劑漿料的全氟質(zhì)子交換膜和碳纖維放置到靜電植絨裝置的接收屏和進料斗中，其中接收屏采用二維或者三維轉(zhuǎn)動式設計，然后在電壓為1～100千伏、兩電極極板距離為2～30厘米的條件下靜電植絨，將碳纖維按與全氟質(zhì)子交換膜平面成0～180度均勻植入或無序植入到涂刷催化劑漿料的全氟質(zhì)子交換膜雙面上，然后順時針0～180度轉(zhuǎn)動接收屏進行第二次靜電植絨，得到帶催化擴散層的全氟質(zhì)子交換膜，其中植入的碳纖維之間以0～180度相互交織，碳纖維在催化擴散層中的體積份數(shù)為1～90％，催化擴散層外表面碳纖維層的厚度為5～3000微米，孔隙率在1～95％之間；(3)將帶催化擴散層的全氟質(zhì)子交換膜在60～150℃下烘干1～120分鐘，使植入的碳纖維固定在催化擴散層中，得到一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極的制備方法，其特征是溶劑為有機溶劑或者體積比為1∶1～10的水與有機溶劑的混合溶劑，其中有機溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇、丙三醇、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、碳酸丙烯酯或其混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池用膜電極及其制備方法，由三層構(gòu)成，中間層為質(zhì)子交換膜，兩側(cè)分別為多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層。多孔陰極催化擴散層和多孔陽極催化擴散層均是由催化劑、粘結(jié)劑和碳纖維組成，其層外表面是由以0～180度相互交織的碳纖維構(gòu)成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)的膜電極是利用靜電植絨技術(shù)，將碳纖維直接植入到涂刷催化劑和粘結(jié)劑的質(zhì)子交換膜上，進而將傳統(tǒng)膜電極的催化層和擴散層成為統(tǒng)一整體，從而簡化了膜電極的制備工藝，提高了膜電極催化層和擴散層的結(jié)合能力，改善了膜電極的電化學性能，在電流密度為300mA/cm
文檔編號H01M4/86GK101034746SQ200710039379
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者張永明, 李磊 申請人:上海交通大學