燃料电池膜电极的制造方法和膜电极_CN109768291A

权利要求书1页 说明书3页 附图4页
CΒιβλιοθήκη Baidu 109768291 A
CN 109768291 A
权 利 要 求 书
1/1 页
1 .燃料电池膜电极的制造方法，其特征在于，包括以下步骤： 采 用甲烷 (CH4) 、乙 烯 (C2H4) 、乙炔 (C2H2) 作为碳源 ，通过化学气相沉积法 ，在特定温度 压力下制备石墨烯膜； 通过腐蚀基体法将所述石墨烯膜转移至聚四氟乙烯薄膜上； 将所述聚四氟乙 烯薄膜置于台面上 ，使 用刮涂法 ，将催化剂涂覆在所述聚四氟乙 烯薄 膜表层的所述石墨烯膜表层，； 使用热压法将催化剂和所述石墨烯膜转印至全氟磺酸高分子膜上。 2 .如权利要求1所述的燃料电池膜电极的制造方法，其特征在于，步骤：使用热压法将 催化剂和所述石墨烯膜转印至全氟磺酸高分子膜上，具体包括： 在所述全氟磺酸高分子膜两侧分别放置所述四氟乙烯薄膜，热压后将所述石墨烯膜分 别转印至全氟磺酸高分子膜的两侧。 3 .膜电极，其特征在于，包括过渡层，所述过渡层为单层石墨烯。
( 57 )摘要 本发明涉及燃料电池的技术领域，公开了燃
料电池膜电极的制造方法和膜电极，其中燃料电 池膜电 极的 制造方法包括以下步骤 ：采用甲烷 ( CH4 )、乙烯( C2H4 )、乙炔( C2H2 )作为碳源，通过 化学气相沉积法，在特定温度压力下制备石墨烯 膜；通过腐蚀基体法将所述石墨烯膜转移至聚四 氟乙烯薄膜上；将所述聚四氟乙烯薄膜置于台面 上 ，使 用刮涂法 ，将催化剂涂覆在所述聚四氟乙 烯薄膜表层的所述石墨烯膜表层；用热压法将催 化剂和所述石墨烯膜转印至全氟磺酸高分子膜 上。采用石墨烯层作为过渡层，其厚度为纳米级， 而石墨过渡层在微米级以 上 ，由 于厚 度的降 低 ， 使得 传 质阻 力也大大降 低 ，同时 石墨烯层2比 石 墨过渡层具有更好导电性，与整体性。
(74)专利代理机构 深圳市韦恩肯知识产权代理 有限公司 44375
代理人 黄昌平
(51)Int .Cl . H01M 4/88(2006 .01) H01M 8/1004(2016 .01)
(10)申请公布号 CN 109768291 A (43)申请公布日 2019.05.17
( 54 )发明 名称 燃料电池膜电极的制造方法和膜电极
3
CN 109768291 A
说 明 书
2/3 页
上，具体包括： [0013] 在所述全氟磺酸高分子膜两侧分别放置所述四氟乙烯薄膜，热压后将所述石墨烯 膜分别转印至全氟磺酸高分子膜的两侧。 [0014] 本发明还提供了膜电极，包括过渡层，所述过渡层为单层石墨烯。 [0015] 与现有技术相比 ，本发明采用石墨烯作为过渡层，可制造单层的石墨烯过渡层，非 常便捷的 控制过渡层厚度 ，其厚度仅为1nm ，对厚度达30-40um之间的 CCM来说 ，石墨烯过渡 层的厚度可以 完全忽略不计。而且 ，石墨烯过渡层具有良 好的 平面覆盖均一性。此外 ，由 于 石墨中自由电子受层间约束，电阻较大，导电性能差，石墨烯中自由电子几乎不受碳原子约 束 ，因此导电 性能好 ，超过所有金 属 ，因此使得由 石墨烯作为过渡层制造的 CCM具有更低的 接触电阻 ，同时厚度的降 低将大大有利于传质的进行。石墨烯作为过渡层的 另一个优势是 ， 由 于其 相较石墨具有更强的疏水性 ，使得过渡层的 排水能 力更强 ，可以 有效降 低燃料电 池 工作时催化层发生水淹。此外，由于石墨烯是一种巨大的网状结构，通过化学键使得整个过 渡层不易出现脱落等问题，具备良好的整体性。
2
CN 109768291 A
说 明 书
1/3 页
燃料电池膜电极的制造方法和膜电极
技术领域 [0001] 本发明涉及燃料电池的技术领域，尤其涉及燃料电池的膜电极。
背景技术 [0002] 膜电极是燃料电池的核心部件，是燃料电池化学反应的场所，主要由全氟磺酸质 子交换膜、催化剂、气体扩散层以 及密封材料组成。根据制备工艺的不同 ，膜电 极结构包括 第一代气体扩散电极、第二代CCM膜电极、和第三代的薄层有序结构电极等。其中第二代CCM 膜电极的制备方法包括转印法和直接涂布法，转印法是指将催化剂浆料喷涂或者印刷到其 它材料上 ，然后再转印到 质子交换膜上形成催化层 ；最后直接涂布法是指将液态浆料直接 涂布到质子交换膜上。 [0003] 在膜电极中与催化层相邻的微孔层，其主要组成是碳粉和憎水性粘结剂，其主要 作用是气体均匀分配和液态水移除 ，其中液态水移除是将催化层生产的水利用毛细力的作 用吸出。由 于微孔层通常是制备到扩散层上 ，其中 与CCM膜电 极压合到一起时 ，微孔层与催 化层形成一个界面，而这个界面上通常会有液态水的滞留，进而影响气体传输。 [0004] 转印法制备CCM膜电极，由于催化层中含有离子树脂，在加热的情况下与转印材料 由 一定的 结合力 ，导致部分催化剂残留 在转印材料表面 ，而使CCM膜电 极转印不完全。为解 决此问题，目前的做法为在承印膜上喷涂一层过渡层，再在过渡层表面涂布催化剂，烘干后 再进行热压转印至膜上。 [0005] 现阶段使用碳粉或者石墨粉的水或乙醇溶液，进行喷涂或者网印到转印材料表面 上 ，再烘干 ，形成过渡层。这种采 用物理方法 制作出来的 过渡层厚度过大 ，普遍在5um以 上 ， 而且厚度的均匀性无法保证。使得制作出来的CCM膜电极整体厚度增大，大大增加了燃料电 池进行化学反应时的传质阻力与路程。而且，石墨过渡层由无数的石墨粒子组成，在石墨的 浆料干燥后 ，形成的过渡层中石墨粒子会产生脱落 ，使得过渡层非常松散的 ，导致过渡层更 加不均一。
发明内容 [0006] 本发明的目的在于提供燃料电池膜电极的制造方法和膜电极，旨在解决现有技术 中采用石墨作为过渡层原料导致过渡层厚度过大、厚薄不均的问题。 [0007] 本发明是这样实现的，提供燃料电池膜电极的制造方法，包括以下步骤： [0008] 采用甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)作为碳源，通过化学气相沉积法，在特定 温度压力下制备石墨烯膜； [0009] 通过腐蚀基体法将所述石墨烯膜转移至聚四氟乙烯薄膜上； [0010] 将所述聚四氟乙烯薄膜置于台面上，使用刮涂法，将催化剂涂覆在所述聚四氟乙 烯薄膜表层的所述石墨烯膜表层； [0011] 使用热压法将催化剂和所述石墨烯膜转印至全氟磺酸高分子膜上。 [0012] 进一步地，步骤：使用热压法将催化剂和所述石墨烯膜转印至全氟磺酸高分子膜
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910050965 .4
(22)申请日 2019 .01 .21
(71)申请人 深圳市南科燃料电池有限公司 地址 518112 广东省深圳市龙岗区吉华街 道甘李二路11号中海信创新产业城 18B栋1204单元
(72)发明人 谢小军 杨成 李佳佳 蒋晓强 高育晨 陶有堃 朱为民