一种自增湿质子交换膜燃料电池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质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，膜电极由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和两个气体扩散层组成，阳极催化层和阴极催化层分别设置在质子交换膜上的两侧，或者分别设置在两个气体扩散层上；阳极催化层是由以下方法制得的：无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，用酸溶液水解得到酸溶胶；催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂混合均匀得到催化剂浆料；催化剂浆料与酸溶胶混合，加入碱溶液，原位生成亲水性无机氧化物获得无机氧化物悬浊液，无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阳极催化层。本发明专利技术膜电极制备简单，保持水分能力明显提升，保证在无增湿的条件下燃料电池的正常运行。

【技术实现步骤摘要】
一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法
本专利技术属于质子交换膜燃料电池
，具体涉及一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置。其中，质子交换膜燃料电池具有启动温度低、能量转换效率高、能量密度高和无污染物排放等优点，被认为是未来便携式电源和电动汽车理想的动力源。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，通常由质子交换膜、阳极催化剂、阴极催化剂、阴极扩散层和阳极扩散层组成。质子交换膜在工作过程中需要保证良好的润湿性才能具有良好的质子传导能力，若质子交换膜过干，质子传导率会急剧降低，影响质子交换膜燃料电池的正常运行。因此，为保证质子交换膜燃料电池的正常工作，必须保证质子交换膜具有足够的水含量。虽然质子交换膜燃料电池工作过程中也会产生水，但目前常规膜电极结构由于水分保持能力较差，必须对气体进行增湿才能保证电堆的正常运行，然而无论是内增湿还是外增湿方式，均需要使用增湿辅助装置，会明显增加电池系统的成本、质量和体积，造成电堆的体积和质量比功率降低。自增湿技术是目前研究的主流，但目前的自增湿技术多为将亲水性的粉末或者有机物如全氟磺酸树脂等直接加入催化层，分散均匀性较差，自增湿效果较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前自增湿方法的不足，通过原位合成方法制备亲水性纳米颗粒，从而实现亲水颗粒在催化剂层中的均匀分布，明显提升膜电极的自增湿能力，而且通过调整溶液中的组分，可以方便调节添加亲水颗粒的亲水能力，便于自增湿能力的调整。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，它是由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和两个气体扩散层组成，质子交换膜夹设在两个气体扩散层之间，在质子交换膜的两侧和气体扩散层之间分别设置有阳极催化层和阴极催化层；所述的阳极催化层和阴极催化层分别设置在质子交换膜上的两侧，或者所述的阳极催化层和阴极催化层分别设置在两个气体扩散层上；其中，所述的阳极催化层是由以下方法制得的：将无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比为1：1～100：1～8，用酸溶液调节pH至1～3水解1～48小时得到酸溶胶；将催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂按照1：2～5：50～100的质量比混合均匀得到催化剂浆料；将催化剂浆料与酸溶胶混合，经超声波震荡分散成悬浊液，往悬浊液中加入碱溶液调节pH至9～13，原位生成亲水性无机氧化物，获得无机氧化物悬浊液，将无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阳极催化层，其中阳极催化层铂的载量为0.1～10mg·cm-1；所述的阴极催化层是由以下方法制得的：将无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比为1：1～100：1～8，用酸溶液调节pH至1～3水解1～48小时得到酸溶胶；将催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂按照1：2～5：50～100的质量比混合均匀得到催化剂浆料；将催化剂浆料与酸溶胶混合，经超声波震荡分散成悬浊液，往悬浊液中加入碱溶液调节pH至9～13，原位生成亲水性无机氧化物，获得无机氧化物悬浊液，将无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阳极催化层；或者将催化剂浆料喷涂于质子交换膜另一侧或气体扩散层形成阴极催化层；其中阴极催化层铂的载量为0.1～10mg·cm-1。所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比优选为1：30～36：2～5。所述的无机氧化物水解前驱体为正硅酸四乙酯、四氯化硅或钛酸四丁酯中的一种或多种混合。所述的酸溶液为稀硝酸、稀硫酸或稀盐酸，优选为0.05mol/L硝酸溶液。所述的催化剂为碳载铂催化剂，所述的碳载铂催化剂为铂担载量50～70％的碳载铂催化剂。所述的全氟磺酸树脂溶液为质量分数5％的全氟磺酸树脂溶液。所述的催化剂浆料与酸溶胶等体积混合。所述的碱溶液为氨水或氢氧化钠溶液，所述的氨水的质量百分数为1～10％，所述的氢氧化钠溶液的浓度0.1～5mol/L。所述的有机溶剂为无水乙醇或异丙醇。本专利技术的另一个目的是提供自增湿质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，包括以下步骤：(1)、将质子交换膜洗涤干净，压平干燥后备用；(2)、将无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比为1：1～100：1～8，用酸溶液调节pH至1～3水解1～48小时得到酸溶胶；(3)、将催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂按照1：2～5：50～100的质量比混合均匀得到催化剂浆料；(4)、将步骤(3)制得的催化剂浆料与步骤(2)制备的酸溶胶混合，经超声波震荡分散成悬浊液，往悬浊液中加入碱溶液调节pH至9～13，原位生成亲水性无机氧化物，获得无机氧化物悬浊液，将无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阳极催化层，其中阳极催化层铂的载量为0.1～10mg·cm-1；(5)、将步骤(3)制得的催化剂浆料喷涂于质子交换膜另一侧或气体扩散层形成阴极催化层；或将步骤(4)制得的无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜另一侧或气体扩散层形成阴极催化层；其中阴极催化层铂的载量为0.1～10mg·cm-1(6)、将两张预先制好的气体扩散层分别压合在喷涂由阴、阳极催化层的质子交换膜两侧，制得膜电极；或者将分别喷涂有阴、阳极催化层的气体扩散层压合在质子交换膜两侧，制得膜电极。步骤(1)中，所述的质子交换膜为美国DuPont公司生产的Nafion212、Nafion211膜或Nafion117膜。优选采用蒸馏水或稀酸溶液洗涤质子交换膜，所述的稀酸溶液可以为0.1mol.L-1的硫酸溶液。步骤(2)中，所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比优选为1：30～36：2～5。所述的无机氧化物水解前驱体为正硅酸四乙酯、四氯化硅或钛酸四丁酯中的一种或多种混合；所述的无机氧化物为SiO2或TiO2；所述的酸溶液为稀硝酸、稀硫酸或稀盐酸，优选为0.05mol/L硝酸溶液。步骤(3)中，所述的催化剂为碳载铂催化剂，所述的碳载铂催化剂为铂担载量50～70％的碳载铂催化剂。所述的全氟磺酸树脂溶液为质量分数5％的全氟磺酸树脂溶液。步骤(4)中，所述的催化剂浆料与酸溶胶等体积混合。所述的碱溶液为氨水或氢氧化钠溶液，所述的氨水的质量百分数为1～10％，所述的氢氧化钠溶液的浓度0.1～5mol/L。本专利技术中所述的有机溶剂为无水乙醇或异丙醇。和现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术自增湿质子交换膜燃料电池膜电极制备简单，无机氧化物水解前躯体经过水解和原位合成方法生成形成亲水性无机氧化物(二氧化硅、二氧化钛)纳米颗粒，无机氧化物纳米颗粒均匀分布于催化剂颗粒之间和催化剂颗粒内部孔隙处，保持水分能力明显提升，从而可以保证在无增湿的条件下燃料电池的正常运行。附图说明图1示出了本专利技术中的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极的第一个实施例的拆分图；图2示出了本专利技术中的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极的第二个实施例的拆分图；图中，1-质子交换膜，2-气体扩散层，3-阳极催化层，4-阴极催化层。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术的技术方案做进一步说明。实施例1一种自增湿质子交换膜燃料电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，它是由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和两个气体扩散层组成，质子交换膜夹设在两个气体扩散层之间，在质子交换膜的两侧和气体扩散层之间分别设置有阳极催化层和阴极催化层；所述的阳极催化层和阴极催化层分别设置在质子交换膜上的两侧，或者所述的阳极催化层和阴极催化层分别设置在两个气体扩散层上；其特征在于所述的阳极催化层是由以下方法制得的：将无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比为1：1～100：1～8，用酸溶液调节pH至1～3水解1～48小时得到酸溶胶；将催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂按照1：2～5：50～100的质量比混合均匀得到催化剂浆料；将催化剂浆料与酸溶胶混合，经超声波震荡分散成悬浊液，往悬浊液中加入碱溶液，原位生成亲水性无机氧化物，获得无机氧化物悬浊液，将无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阳极催化层，其中阳极催化层铂的载量为0.1～10mg·cm‑2；所述的阴极催化层是由以下方法制得的：将无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比为1：1～100：1～8，用酸溶液调节pH至1～3水解1～48小时得到酸溶胶；将催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂按照1：2～5：50～100的质量比混合均匀得到催化剂浆料；将催化剂浆料与酸溶胶混合，经超声波震荡分散成悬浊液，往悬浊液中加入碱溶液调节pH至9～13，原位生成亲水性无机氧化物，获得无机氧化物悬浊液，将无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阳极催化层；或者将催化剂浆料喷涂于质子交换膜另一侧或气体扩散层形成阴极催化层，其中阴极催化层铂的载量为0.1～10mg·cm‑1。...

【技术特征摘要】
1.一种自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，它是由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和两个气体扩散层组成，质子交换膜夹设在两个气体扩散层之间，在质子交换膜的两侧和气体扩散层之间分别设置有阳极催化层和阴极催化层；所述的阳极催化层和阴极催化层分别设置在质子交换膜上的两侧，或者所述的阳极催化层和阴极催化层分别设置在两个气体扩散层上；其特征在于所述的阳极催化层是由以下方法制得的：将无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比为1：1～100：1～8，用酸溶液调节pH至1～3水解1～48小时得到酸溶胶；将催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂按照1：2～5：50～100的质量比混合均匀得到催化剂浆料；将催化剂浆料与酸溶胶混合，经超声波震荡分散成悬浊液，往悬浊液中加入碱溶液调节pH至9～13，原位生成亲水性无机氧化物，获得无机氧化物悬浊液，将无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阳极催化层，其中阳极催化层铂的载量为0.1～10mg·cm-2；所述的阴极催化层是由以下方法制得的：将无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水混合，所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比为1：1～100：1～8，用酸溶液调节pH至1～3水解1～48小时得到酸溶胶；将催化剂、全氟磺酸树脂溶液和有机溶剂按照1：2～5：50～100的质量比混合均匀得到催化剂浆料；将催化剂浆料与酸溶胶混合，经超声波震荡分散成悬浊液，往悬浊液中加入碱溶液调节pH至9～13，原位生成亲水性无机氧化物，获得无机氧化物悬浊液，将无机氧化物悬浊液喷涂于质子交换膜一侧或气体扩散层形成阴极催化层；或者将催化剂浆料喷涂于质子交换膜另一侧或气体扩散层形成阴极催化层，其中阴极催化层铂的载量为0.1～10mg·cm-1；所述的无机氧化物水解前驱体为正硅酸四乙酯、四氯化硅或钛酸四丁酯中的一种或多种混合；所述的催化剂为碳载铂催化剂，所述的碳载铂催化剂为铂担载量50～70％的碳载铂催化剂。2.根据权利要求1所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于所述的无机氧化物水解前驱体、有机溶剂和水的摩尔比为1：30～36：2～5。3.根据权利要求1所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于所述的酸溶液为稀硝酸、稀硫酸或稀盐酸；所述的全氟磺酸树脂溶液为质量分数5％的全氟磺酸树脂溶液；所述的碱溶液为氨水或氢氧化钠溶液，所述的氨水的质量百分数为1～10％，所述的氢氧化钠溶液的浓度0.1～5mol/L；所述的有机溶剂为无水乙醇或异丙醇。4.根据权利要求3所述的自增湿质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于所述的酸溶液为0.05mol/L硝酸溶液。5.根据权利要求1所述的自...

【专利技术属性】
技术研发人员：石伟玉，钊文科，时尧兴，
申请(专利权)人：宜兴市四通家电配件有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32