一种高温聚合物电解质膜燃料电池膜电极的制备方法技术

一种高温聚合物电解质膜燃料电池膜电极的制备方法，对压合后膜电极进行加热后处理，通过对膜电极进行梯度升温加热处理，能够阻断磷酸在电极中的连续通道，降低磷酸流失速率，延长膜电极寿命。本发明专利技术操作简单、易行，能将磷酸流失速率降低2

【技术实现步骤摘要】
一种高温聚合物电解质膜燃料电池膜电极的制备方法


[0001]本专利技术属于高温聚合物电解质膜燃料电池领域，特别涉及一种长寿命高性能高温聚合物电解质膜燃料电池的制备方法。

技术介绍

[0002]高温质子交换膜燃料电池(HT
‑
PEMFC)的工作温度通常在150
‑
200℃，具有较强的耐CO毒化的能力，较高的尾气废热利用价值，因此HT
‑
PEMFC具有燃料选择范围广、系统简单、综合能量利用率高等优势，在车载电源、便携式电源、固定电站以及微型热电联产系统等领域表现出了巨大的潜力。
[0003]美国能源部(DOE)关于高温燃料电池在不同领域的应用提出了2020年目标，其中要求作为动力电源使用时>5000h，启停≥5000次，并且衰减程度≤10％，作为固定电站使用时寿命要40000h以上。膜电极作为高温燃料电池系统的关键部件，其性能和寿命，尤其是寿命仍然是限制高温燃料电池广泛应用的短板之一。作为燃料电池的“血液”，磷酸的分布、再分布、流失与由此带来的电极性质的变化对高温燃料电池性能与寿命的影响不容忽视，膜电极制备过程由于磷酸会存在于电极孔道中，在电极中形成连续的亲水通道，造成在燃料电池放电工作状态磷酸会在这些连续的亲水通道中迅速流失，不仅造成膜本身抗拉伸强度、断裂伸长率的损失，同时膜电极也会失去电化学反应三相界面，导致膜电极性能衰减，甚至出现膜穿孔，膜电极失效。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种长寿命高性能高温聚合物电解质膜燃料电池的制备方法。
[0005]所述一种长寿命高性能高温聚合物电解质膜燃料电池的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤，
[0006](1)膜电极相关材料的组合放置：将膜电极材料阳极、膜、以及阴极依次层叠放置；
[0007]或，将已知质量的阳极、不包括或包括聚合物密封材料、膜、不包括或包括聚合物密封材料以及、阴极依次层叠放置；
[0008](2)膜电极压合制备：膜电极的压合制备包括预压合、压合两个步骤或者仅包括压合一个步骤；
[0009]A、预压合：
[0010]先将限位模具置于热压合设备的下加热板上预加热，然后再将步骤(1)中组合放置的膜电极材料放置于已经预加热的模具上，使得阴极靠近压合设备的上加热板一侧放置；或者先将步骤(1)中组合放置的膜电极材料放置于模具上，然后再将放置了组合成功的膜电极各材料的模具放置于压合设备下加热板上，使得阴极靠近压合设备的上加热板一侧放置；
[0011]通过压合设备对膜电极材料上下二侧施压，使上加热板与膜电极阴极表面接触，
进行预压；
[0012]B、压合：提高压合设备的压合力，取下压合完毕的膜电极，用滤纸擦拭表面，称量质量测量厚度，放入袋子中真空保存；
[0013](3)膜电极压合后处理：压合后膜电极中酸或(和)水在阴、阳极中形成连续的酸或(和)水通道，亲水性较强，造成磷酸从膜电极中的快速流失，导致膜电极性能衰减，最终影响膜电极寿命，采用一定的方法对压合后膜电极进行再次后处理，阻断电极中形成的连续酸或(和)水通道，增强阴阳极表面的疏水性，降低磷酸流失速率，从而延长膜电极寿命。在对压合后膜电极进行后处理时采用阶梯式升温方式，首先第一阶梯采用较低温度使其控制在50
‑
60℃，同时风量控制在0.5
‑
1mLmin
‑1cm
‑2，目的是快速除去膜电极电极表面残留的水，而不影响电极孔内部磷酸与水的存在状态，然后采用每个梯度上升20
‑
40℃的方式逐步除去膜电极电极孔内由于毛细压力而存在的水和部分磷酸，最后一个阶梯的加热温度不高于180℃，从而避免磷酸过度失水电极内磷酸聚合，造成膜电极的欧姆极化与电化学反应极化增大的问题，膜电极处理后放入袋子中真空保存备用；
[0014]对上述制备的膜电极进行表征与测试，包括膜电极中的电极与膜中酸量及其分布定量与膜电极组装单池性能测试。
[0015]电极中的电极与膜中酸量及其分布定量：采用非原位方法模拟膜电极压合过程，将膜放置于滤纸中间，采用相同于膜电极的压合条件对其进行压合，通过测定压合前后膜的失重与膜中保留的酸与水定量，定量计算压合后膜电极中酸在膜与电极中的量与分布情况；
[0016]膜电极组装单池性能测试：将上述步骤(3)中制备的膜电极放置于两个密封垫中间或者叠放于一个密封垫上，然后将密封垫与膜电极放置于带有进气口、出气口、螺栓插入口、热偶口与加热部分的由金属端板与带有流场的极板组成的测试夹具之间。其中进气口、出气口分布于极板与端板上，热偶口在极板之上，螺栓插入口与加热部分在端板上。紧固并控制膜电极在一定的压缩程度后，将单池放置于燃料电池测试台架上升温，电池到达目标温度后，在200mAcm
‑2进行恒流活化，活化约48h后，进行极化曲线测试。极化曲线测试后，使单池在200mAcm
‑2恒流放电，对尾气中的磷酸进行收集，对尾排中磷酸定量。
[0017]上述高性能高温聚合物电解质膜燃料电池的制备方法：
[0018]步骤(1)中所述硬限位模具为一6
‑
12mm厚刚性平板，平板中部为膜电极材料的放置区，于膜电极材料的放置区四周设置有环型突起，于环型突起上设有通孔或贯穿突起内外壁面的凹槽，放置膜电极的对面侧保证平面，作为液体透过孔道。放置膜电极侧外边缘5
‑
20mm为槽与脊相间设计，放置膜电极的位置为平面且与边缘槽相平，压合后的膜电极的厚度可通过调变模具环型突起的高度(环型突起远离平板表面的平面与平板表面间的距离)而调变，槽与脊的高度差为0.4
‑
1.5mm，优选0.5
‑
1.1mm，较优选0.55
‑
0.95mm，模具的形状和尺寸依据膜电极的形状和尺寸而改变，；
[0019]步骤(1)中所述膜为采用后浸渍法制备的聚苯并咪唑掺杂磷酸膜或者采用溶胶凝胶法制备的聚苯并咪唑/H3PO4膜，采用如下分子结构的一种或两种聚合物：
[0020][0021][0022]其中n和m各自为大于或等于50的整数，优选大于或等于100的整数，较优选200
‑
3000的整数。
[0023]步骤(1)中所述环状聚合物密封材料为聚酰亚胺、FEP涂覆的聚酰亚胺(Kapton)、氟化聚乙烯丙烯、全氟烷氧基化合物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚砜中的一种或二种以上，优选聚酰亚胺、FEP涂覆的聚酰亚胺(Kapton)、聚砜中的一种或二种以上；聚合物密封材料的内边缘与阳极、阴极和膜相贴接，内边缘尺寸小于阳极、阴极和膜的尺寸，聚合物密封材料的外边缘的尺寸大于或等于阳极、阴极和膜的外边缘的尺寸，即阳极、阴极和膜的外边缘与聚合物密封材料相贴接。聚合物密封材料的内边缘形状和尺寸与电池的有效面积相同或相当。
[0024]步骤(2)所述预压过程的温度为60
‑
2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温聚合物电解质膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤，(1)组合放置：将膜电极材料阳极、膜、以及阴极依次层叠放置；(2)压合制备：对步骤(1)中叠放好的材料进行压合；(3)压合后处理：将步骤(2)压合后的膜电极进行阶梯式升温加热处理后取出，获得膜电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述阶梯式升温加热处理第一阶梯温度为50
‑
60℃，然后按每个梯度上升20
‑
40℃；共进行2
‑
4个梯度的升温处理，且最后一个阶梯的加热温度小于200℃，优选小于180℃。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述阶梯式升温加热处理过程中，膜电极加热时间随阶梯数的增加逐渐减少，第一阶梯5
‑
30min，优选5
‑
20min，然后按每个阶梯降低2
‑
6min，总的加热时间不超过60min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述阶梯式升温加热处理过程采用强制对流方式进行风循环，相对于膜电极的面积采用的风量为0.5
‑
5mL min
‑1cm
‑2。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：膜电极压合包括预压合与压合两个步骤或者压合一个步骤，A、预压合：将膜电极的组合放置于压合设备下加热板上，使得阴极靠近压合设备的上加热板一侧放置；通过压合设备对膜电极材料上下二侧施压，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素力，杨丛荣，孙公权，
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：