中温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术属于燃料电池技术领域，具体涉及一种中温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。所述的膜电极包括依次设置的阳极微孔层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极微孔层，所述阳极和阴极催化剂层均由亲水催化剂层和疏水催化剂层组成。阳极微孔层和阴极微孔层中均含有KAPPA‑炭黑，阳极催化剂层和阴极催化剂层均含有Pt/C催化剂。本发明专利技术使用的粘结剂可提高电极的导电率和质子传输能力，使用的成孔剂使催化剂层获得更多分布均匀的孔隙，可使电极获得更多的传输通道，有利于增加催化剂的反应活性面积，从而提高燃料电池的功率性能，采用真空热处理，有利于增强催化剂层结构致密性，延缓催化剂失效速率，延长其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
中温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法
本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种中温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。
技术介绍
近几年燃料电池技术的发展势头大大超过了蓄电池，尽管燃料电池的大规模商业化还存在各种各样的问题，但其能量转换率、高低排放的优点，使行业产业链已经逐步形成，为了缩短与国内外先进技术差距，所以针对技术水平比较成熟的中温质子交换膜燃料电池进行了研究，它的工作温度为-40℃～80℃，环境适应性较强，同时满足北方低温环境以及热带环境的动力支持；膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，为PEMFC(质子交换膜燃料电池)提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所，对电池的性能有决定性的影响；提高膜电极的性能和功率密度,对于推动燃料电池的商业化进程具有十分重要的意义；膜电极的性能取决于材料和制备技术两个方面，因此膜电极的制备技术、关键组成材料以及铂载量都对膜电极的性能和功率密度具有重要影响。催化剂层的制备方法通常为喷涂法、涂膏法、丝网印刷法、真空溅射法、电化学沉淀法、化学沉积法等，这些方法普遍应用于燃料电池膜电极的制备，并且得到大力发展，其中喷涂法已经能够实现膜电极的规模化生产，特别是经过雾化后的多层催化剂直接喷涂于质子交换膜上的方法，再经真空热处理，有利于催化剂层与质子交换膜的紧密结合，并且保持了质子、电子良好的传导性，这种多层催化剂膜电极性能超过单层催化剂膜电极性能约100mW/cm2。质子交换膜可分为全氟磺酸质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜和部分氟化聚合物质子交换膜，其中全氟磺酸质子交换膜具有较高的质子导电率、电子绝缘率、化学稳定性、热稳定性、机械强度以及较好的尺寸稳定性和较低的气体渗透性，但其存在溶胀严重、价格昂贵以及降解时氟释放等问题，而其他种类质子交换膜的性能相对较差，所以质子交换膜技术还在持续研究中。电极催化剂包括Pt、Ru、Pt/Ru、Pt/Ni、Pt/Pd、Pt/Co、Pt/Fe、Pt/Co/Cr等贵金属，以及过渡金属大环化合物、氮掺杂碳、氟掺杂碳、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物等非贵金属催化剂，目前普遍采用Pt作为质子交换膜燃料电池的催化剂材料，因为Pt是氧还原催化活性最高的催化剂，但Pt的氧还原过电位较高且会发生Pt颗粒的脱落，造成电池性能下降，另外由于膜电极的重要成分是铂碳催化剂，约占总成本的40％，导致燃料电池的成本较高；所以，寻找高效Pt\C颗粒的制备方法，并提高Pt\C颗粒的电化学比表面积，通过添加其他成分利用其协同效应提高催化剂的催化活性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种中温质子交换膜燃料电池膜电极，具有优良的导电率和质子传输能力，同时可提高燃料电池的功率性能和使用寿命；本专利技术还提供其制备方法。本专利技术所述的中温质子交换膜燃料电池膜电极，包括依次设置的阳极微孔层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极微孔层，所述的阳极催化剂层包括朝质子交换膜方向依次层叠设置的阳极疏水催化剂层和阳极亲水催化剂层，所述的阴极催化剂层包括朝质子交换膜方向依次层叠设置的阴极疏水催化剂层和阴极亲水催化剂层；其中，所述的阳极微孔层和阴极微孔层中均含有KAPPA-炭黑，所述的阳极疏水催化剂层、阳极亲水催化剂层、阴极疏水催化剂层和阴极亲水催化剂层均含有Pt/C催化剂。优选地，所述的阳极微孔层和阴极微孔层中炭黑载量均为0.5-1.5mg/cm2。优选地，所述的阳极催化剂层Pt总载量为0.35-1mg/cm2。优选地，所述的阴极催化剂层Pt总载量为0.40-1mg/cm2。优选地，所述的质子交换膜采用杜邦N211型超薄型Nafion质子交换膜，该膜内磺酸根酸性相对较强、彼此之间间距相对较小，分子主链柔性相对较高，且膜内的质子通道相对较宽，连贯性较好。本专利技术所述的中温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，以碳纸为基底层，经过疏水处理后，喷涂PTFE、KAPPA-炭黑和分散剂混合溶液作为阳极微孔层和阴极微孔层，然后在所述质子交换膜两侧分别将Pt/C催化剂、分散剂、粘结剂以及成孔剂混合的催化剂浆料A和Pt/C催化剂、分散剂以及粘结剂混合的催化剂浆料B，雾化后依次分层喷涂在所述质子交换膜上，形成阳极催化剂层和阴极催化剂层，再经真空热处理，最后将阳极微孔层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极微孔层依次粘合制成膜电极。具体包括如下步骤：(1)基底层的疏水处理在室温环境下，将基底层材料放在去离子水中超声清洗30-40min后，将其取出放在丙酮溶液中浸泡12-15h，然后依次使用去离子水、无水乙醇进行清洗，再放于60-80℃烘箱中干燥0.5-1h，称重后将基底层材料放入2wt％的疏水剂中浸泡处理5min，然后取出再放入烘箱中干燥0.5h，反复进行数次上述浸泡～干燥过程，直至基底层中疏水剂的含量达到15-20％，最后将基底层放于马弗炉中升温至240-250℃热处理0.5-1h后，升温至340-350℃继续焙烧0.5-1h，使PTFE熔化并附着在基底层表面；(2)微孔层制备将2-5wt％疏水剂加入到分散剂和水的混合溶剂中，超声震荡15-20min，然后将KAPPA-炭黑加入到分散好的疏水剂混合液中，超声震荡15-20min，得到分散均匀的混合液；将疏水处理后的基底层置于加热平台上，加热温度为60-100℃，然后把分散均匀的混合液滴到疏水处理过的基底层一侧表面上，待表面干燥后放于马弗炉中升温至240-250℃热处理0.5-1h，然后升温至340-350℃继续焙烧0.5-1h，制得阳极微孔层和阴极微孔层，待用；(3)催化剂浆料制备催化剂浆料A：向Pt/C催化剂中加入去离子水搅拌2min后，依次加入分散剂、粘结剂以及成孔剂，然后分别经过超声浴(超声功率不低于200w，水浴温度不超过20℃)中处理20-30min和球磨机混合处理30-40min，得到均匀分散的催化剂浆料A；催化剂浆料B：向Pt/C催化剂中加入去离子水搅拌2min后，依次加入分散剂以及粘结剂，然后分别经过超声浴(超声功率不低于200w，水浴温度不超过20℃)中处理20-30min和球磨机混合处理30-40min，得到均匀分散的催化剂浆料B；(4)催化剂层制备将质子交换膜平铺在夹具上，将夹具放在加热台上，调节温度为60-100℃，然后将催化剂浆料A和催化剂浆料B依次雾化喷涂到质子变换膜的一面上，分别对应涂覆出阳极亲水催化剂层和阳极疏水催化剂层，形成阳极催化剂层，然后再将催化剂浆料A和催化剂浆料B依次雾化喷涂到质子变换膜的另一面上，分别对应涂覆出阴极亲水催化剂层和阴极疏水催化剂层，形成阴极催化剂层；将喷涂完成的膜放在加热台上继续加热10-20min后，置于80-130℃真空干燥箱内，真空度为0.1MPa，加热定型1-1.5h，取出后保存在蒸馏水中备用；(5)膜电极组装按照阳极微孔层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层、阴极微孔层依次摆放，采用特制胶布将阳极微孔层、阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中温质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：包括依次设置的阳极微孔层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极微孔层，所述的阳极催化剂层包括朝质子交换膜方向依次层叠设置的阳极疏水催化剂层和阳极亲水催化剂层，所述的阴极催化剂层包括朝质子交换膜方向依次层叠设置的阴极疏水催化剂层和阴极亲水催化剂层；/n其中，所述的阳极微孔层和阴极微孔层中均含有KAPPA-炭黑，所述的阳极疏水催化剂层、阳极亲水催化剂层、阴极疏水催化剂层和阴极亲水催化剂层均含有Pt/C催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种中温质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：包括依次设置的阳极微孔层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极微孔层，所述的阳极催化剂层包括朝质子交换膜方向依次层叠设置的阳极疏水催化剂层和阳极亲水催化剂层，所述的阴极催化剂层包括朝质子交换膜方向依次层叠设置的阴极疏水催化剂层和阴极亲水催化剂层；
其中，所述的阳极微孔层和阴极微孔层中均含有KAPPA-炭黑，所述的阳极疏水催化剂层、阳极亲水催化剂层、阴极疏水催化剂层和阴极亲水催化剂层均含有Pt/C催化剂。


2.根据权利要求1所述的中温质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述的阳极微孔层和阴极微孔层中炭黑载量均为0.5-1.5mg/cm2。


3.根据权利要求1所述的中温质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述的阳极催化剂层Pt总载量为0.35-1mg/cm2。


4.根据权利要求1所述的中温质子交换膜燃料电池膜电极，其特征在于：所述的阴极催化剂层Pt总载量为0.40-1mg/cm2。


5.一种权利要求1-4任一所述的中温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：以碳纸为基底层，经过疏水剂疏水处理后，喷涂PTFE、KAPPA-炭黑和分散剂混合溶液作为阳极微孔层和阴极微孔层，然后在所述质子交换膜两侧分别将Pt/C催化剂、分散剂、粘结剂以及成孔剂混合的催化剂浆料A和Pt/C催化剂、分散剂以及粘结剂混合的催化剂浆料B，雾化后依次分层喷涂在所述质子交换膜上，形成阳极催化剂层和阴极催化剂层，再经真空热处理，最后将阳极微孔层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极微孔层依次摆放并粘合制成膜电极。


6.根据权利要求5所述的中温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)基底层的疏水处理
将基底层材料放在去离子水中超声清洗30-40min后，将其取出放在丙酮溶液中浸泡12-15h，然后依次使用去离子水、无水乙醇进行清洗，再放于60-80℃烘箱中干燥0.5-1h，称重后将基底层材料放入2wt％的疏水剂中浸泡处理至基底层中疏水剂的含量达到15-20％，最后将基底层在240-250℃热处理0.5-1h后，升温至340-350℃继续焙烧0.5-1h，使PTFE熔化并附着在基底层表面；
(2)微孔层制备
将2-5wt％疏水剂加入到分散剂和水的混合溶剂中，超声震荡15-20min，然后将KAPPA-炭黑加入到分散后的疏水剂混合液中，超声震荡15-20min，得到分散均匀的混合液；将疏水处理后的基底层置于加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉莹，陈龙霞，唐胜群，吴涛，张涛，李敏，王弈聪，唐慧芹，张杰，王强，
申请(专利权)人：淄博火炬能源有限责任公司，
类型：发明
国别省市：山东;37