一种质子交换膜燃料电池自增湿膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自增湿膜电极及其制备方法，该方法是将铂碳催化剂、无机亲水型金属氧化物纳米粒子、全氟磺酸聚合物、低沸点溶剂混合作为阳极催化层，涂在Nafion膜一侧，将铂碳催化剂、全氟磺酸聚合物、低沸点溶剂混合物作为阴极催化层，涂在Nafion膜的另一侧，制备成CCM。将CCM的阳极催化剂层置于紫外光灯下进行紫外光照处理后，再与扩散层热压制成膜电极（MEA）。本发明专利技术的亲水性增强效果比增加无机亲水氧化物明显，可以在不增加无机亲水氧化物纳米粒子含量的同时增加其亲水性，提高了电池在低湿度情况下的性能，解决了加入过多的亲水物质后引起的电阻增加和催化剂电化学活性面积降低的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池
，属于燃料电池自增湿的制备方法，具体为一种质 子交换膜燃料电池自增湿膜电极及其制备方法。
技术介绍
燃料电池以其高能量密度和少污染，有希望将来代替化石能源成为主流。而PEMFC 具有室温启动快、无电解液流失、噪声低等优点，具有作为移动电源、各种便携式电源及不 间断电源的潜力。为了保持PEMFC的高电池性能，电解质膜需要通过外界增湿系统使其完 全饱和，但是多余的增湿系统会增加整个电池系统的体积和重量，增加其复杂性，所以达到 MEA的自增湿在PEMFC系统中尤为重要。 最近很多研究都专注于掺杂亲水物质起到保水作用，而因为无机氧化物具有较好 的亲水性而得到研究者青睐。 清华大学申请的"一种质子交换膜燃料电池用的自保湿复合膜及其制备方法"发 明专利【CN1442913A】将无机物或其氧化物粉碎成0. 1~10微米的粉末，将粉末、与有机膜 成份相同的有机物及有机溶剂均匀混合成浆料后涂覆在有机膜基体表面，得到自保湿复合 膜。但由于膜遇到溶剂会发生严重变形，降低电池性能。而且，加入的是微米级的亲水无机 氧化物，保水效果不佳，并且加入过多的亲水物质后会增加电池的电阻，影响气体的传递。 武汉理工大学申请的"具有保水功能的质子交换膜燃料电池芯片的制备方法"发 明专利【CN1719653A】通过热压转移法将无机纳米粒子转移至质子交换膜两侧制备具有保 水性能的燃料电池芯片。纳米级亲水物质的加入亲水性优于微米级，但是还是存在亲水物 质加入量的最优化问题，加入过多的无机纳米粒子还是会增加电池电阻，影响催化剂与膜 接触。 华南理工大学申请的"用于燃料电池膜电极的电催化剂及其制备方法及燃料电池 膜电极"的专利专利技术【CN101615677A】则专注于电催化层，提高了膜和催化剂层的接触和质 子传导能力。其特征在于以保水物质沉积的碳作为复合载体，担载贵金属作为电催化剂。但 是保水物质导电性差，作为载体会增加电池电阻，影响电子传导。 到目前为止，还没有在不需要加入过多的亲水物质的同时达到理想自增湿效果的 方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可以提高PEMFC阳极侧自增湿性能的方法，保证组装后 的燃料电池可以在反应气不增湿条件下稳定工作，并且显著提高其性能。本专利技术解决了由 于加入过多亲水物质而引起的电池电阻的增加，催化剂电化学活性面积的减少的缺点。 为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是： 1)将无机亲水氧化物纳米粒子与Pt/c催化剂和质子交换树脂溶液混合超声均 匀，制得阳极催化层浆料，其中无机亲水氧化物相对于Pt/c的质量比为0%~60%，阴极催化 剂浆料中无机亲水氧化物含量为0% ; 2)将阴阳极浆料喷涂在质子交换膜两侧，制成CCM后干燥； 3)将含有无机亲水氧化物纳米粒子的CCM置于紫外光源下进行紫外光照处理，其 中紫外光波长小于387nm，光照时间为0. 5h~3h，紫外光源离样品距离为3~IOcm; 4)将步骤2)和步骤3)处理的CCM与气体扩散层热压成膜电极，热压温度为140°C， 时间2min，压力为0?I5MPa; 所述的质子交换膜是具有磺酸根基团的全氟磺酸树脂，如duPont公司生产的 Nafion212膜，Nafion211膜或Nafionl17膜；所述的溶剂为水或有机溶剂，如甲醇、乙醇、异 丙醇、乙二醇、乙酸乙酯。 所述的无机亲水氧化物纳米粒子为TiO2,SnO2或W2O3，它们通常具有较好的保水作 用，且具有被紫外光激发导致亲水性增强的特性。 所述的紫外光照制备方法，是将含有无机亲水氧化物的阳极侧朝上固定在玻璃板 上，将玻璃板置于收缩升降台上。收缩升降台上垂直固定有刻有刻度的标尺，用来测量紫外 光源与样品表面的距离。所述的控制不同的紫外光波长，是通过在紫外光灯中加入不同波 长的滤光片实现的。并将紫外光源朝下正对着样品中心进行光照处理。 本专利技术与
技术介绍
相比，制备的燃料电池阳极具有更好的保水性能，可以在不增 加无机亲水氧化物的同时增加其亲水性，解决了加入过多无机亲水氧化物后引起的电池电 阻增加和催化剂电化学活性面减小的问题，并且更好地增加了低湿度下的性能。【附图说明】 图1为紫外光照制备工艺图； 图2为接触角变化图； 图3为含20%Ti02电池经紫外光照后性能变化； 图4为2000min前后含20%Ti02阳极接触角变化；【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。 实施例 1 :将 40wt%Pt/C(JohnsonMatthey)，5wt%Na.fi〇11:K.溶液（Duponrt), 纳米TiO2(21nm)和异丙醇混合成阳极催化剂浆料，将其超声40min分散均匀后，喷涂到 Nafion212(DupOH?)j膜上一侧，将 40wt%Pt/C(JohnsonMatthey)，5wt%Nafion?:溶液 (Dup〇nK)和异丙醇5g混合成阴极催化剂楽料，超声40min分散均匀后，喷涂到Nafion212 膜的另一侧制成薄层覆膜电极CCMs，其中阳极催化层中纳米粒子TiO2含量为0%、10%和40% (相对于Pt/C的质量比）。将阳极侧含有10%Ti02的CCMs置于波长为350nm的紫外灯下光 照处理Ih(如图1所示)，光源1与样品2的距离通过支架3进行调节为8cm(由标尺4指 示)。将自制CCMs的阳极侧朝上固定在玻璃板上，采用KRUSSDSA100液体形状分析系统测 量接触角，每次在室温的情况下将3yL的蒸馏水滴到CCMs上，马上对水滴状态拍照，然后 利用软件分析水滴形状与样品表面的接触角。由图2可知，加入40%Ti02亲水纳米粒子后 接触角相对于没有加TiO2的传统CCM减小了 15. 68°，而只含10%Ti02亲水纳米粒子的CCM 经过紫外光照后接触角减小了 20.46°，所以增加亲水物质含量没有采用紫外光照法进行 处理得到的亲水效果好。 实施例 2 :将 40wt%Pt/C(JohnsonMatthey)，5wt%Nafionw'溶液（DuponK)，20% 纳米TiO2 (21nm，相对于Pt/C的质量比）和异丙醇6g混合成阳极催化剂浆料，将其超声 40min分散后，喷涂到Nafion212 (Dup〇nK)膜一侧，阴极催化层的制备方法与实施例1相 同，制成薄层覆膜电极CCMs。将自制的CCM进行紫外光照处理，方法和条件与实施例1相 同。并对其进行接触角实验测试，测试方法与实施例1相同。然后将自制的CCMs和气体扩 散层在140°C，0. 15MPa条件下热压2min得到不对称的膜电极（MEA)。MEA的有效活性面积 为5cm2，将其组装成电池进行低增湿条件下的性能评价。发现含有20%Ti02CCM紫外光照前 后的接触角分别为146. 2°和106. 83°。在阳极侧不增湿情况下，由图3可以看出，相对于 未经过紫外光照的，经过紫外光照的电池功率密度增加了 106mWcnT2。 实施例3 :阳极催化层和阴极催化层的制备方法与实施例2相同，制成薄层覆膜电 极CCMs。将自制的CCM进行紫外光照处理，方法和条件与实施例1相同。并对其进行接触 角实验测试，测试方法与实施例1相同。将经过紫外光照处理的CCM置于N2环境下2000m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池自增湿系统的膜电极，依次包括阳极扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层、阴极扩散层，其特征在于：阳极催化层中加入了无机亲水氧化物纳米粒子，保持亲水性；并且对阳极催化层通过紫外光照法进行处理，增加其亲水性，组装压制之后即为自增湿系统的膜电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邵志刚，郭晓倩，肖宇，秦晓平，曾亚超，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21