一种燃料电池膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法，所述膜电极依次包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，所述阳极气体扩散层和阳极催化层之间设有第一自由基淬灭剂，所述第一自由基淬灭剂中均匀分布碳载氧化铈。本发明专利技术在阳极扩散层上添加了自由基淬灭剂，降低了薄膜气体渗透产生的自由基危害，大大提高了膜电极使用寿命。制备时，阴极催化层采用CCM，阳极催化层采用GDE，避免了质子交换膜在催化层制备过程中胀缩变形，有利于薄膜膜电极的制备和生产。有利于薄膜膜电极的制备和生产。有利于薄膜膜电极的制备和生产。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池膜电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，主要由催化层、质子交换膜、气体扩散层组成，其中催化层的好坏直接决定燃料电池的性能和寿命。现有的催化层制备工艺主要为CCM，即直接将催化剂浆料涂覆在质子交换膜上形成催化剂涂层。
[0003]但是，随着人们更加追求高功率密度的燃料电池，促使质子交换膜趋于薄膜化（更低的离子传导损失）。目前使用的质子交换膜厚度一般为12μm，预计在不久将会大批量使用8μm、5μm。薄膜化对催化层的制备工艺和质子交换膜寿命提出了更高的要求。经大量研究人员研究发现，对于CCM质子交换膜来说，当在8μm或者5μm质子交换膜上涂覆催化剂浆料时，质子交换膜会出现严重的胀缩变形，影响催化层的涂覆和质子膜寿命。此外，更薄的质子交换膜需要警惕气体渗透增强带来的风险。气体渗透会产生自由基（
•
OH，
•
OOH），自由基是高活性反应试剂，以袭击聚合物材料引起衰减著称。通常用下面的反应式来描述质子交换膜衰减反应过程。
[0004]R
f
‑
CF2COOH+
•
OH
→
R
f
‑
CF2•
+CO2+H2OR
f
‑
CF2•
+
•
OH
→
R
f
‑
CF2OH
→
R
f
‑
COF+H
+
+F
‑
R
f
‑
COF+H2O
→
R
f
‑
COOH+H
+
+F
‑
因此，本领域急需一种是用于薄型质子交换膜的膜电极。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种薄型的燃料电池膜电极及其制备方法。
[0006]为了实现本专利技术之目的，本申请提供以下技术方案。
[0007]在第一方面中，本申请提供一种燃料电池膜电极，所述膜电极依次包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，所述阳极气体扩散层和阳极催化层之间或者在阳极催化层内添加第一自由基淬灭剂，所述第一自由基淬灭剂包括碳载氧化铈。本申请通过在阳极扩散层上添加了自由基淬灭剂，降低了薄膜气体渗透产生的自由基危害，大大提高了膜电极使用寿命。而且本申请的自由基淬灭剂是喷涂在阳极扩散层中，而不是添加在质子交换膜中的，这样更有利于电极连续化生产，采用的碳载氧化铈导电性好，不影响电子在催化层与扩散层的传导，保证了电极的性能与寿命。
[0008]在第一方面的一种实施方式中，所述第一自由基淬灭剂中碳载氧化铈的质量分数为1~70%，所述膜电极中碳载氧化铈的载量为0.01~0.05mg/cm2。
[0009]在第一方面的一种实施方式中，所述阴极催化层和阴极气体扩散层之间或阴极催化层内添加第二自由基淬灭剂，所述第二自由基淬灭剂中包含碳载氧化铈，且在所述第二自由基淬灭剂中碳载氧化铈的质量分数为1~70%，所述阴极扩散层上碳载氧化铈的载量为
0.01~0.03mg/cm2。
[0010]在第一方面的一种实施方式中，所述碳载氧化铈的制备方法如下：（1）将硝酸铈、有机溶剂以及碳粉混合，并超声分散，得到混合液；（2）在搅拌条件下，在所述混合液内滴入碳酸钠，然后继续搅拌进行反应，依次经沉降、抽滤、洗涤、烘干、研磨、焙烧后，得到所述碳载氧化铈。
[0011]本申请采用的自由基淬灭剂为碳载氧化铈，与纯氧化铈相比，导电性更好，不会增大电极欧姆极化损失，且在扩散层上担载量不会提高气体传输距离，因此对电极电压无负面影响。
[0012]在第一方面的一种实施方式中，所述碳载氧化铈的制备方法至少还包括如下一种条件：1）所述有机溶剂包括乙醇。
[0013]2）所述硝酸铈、有机溶剂、碳粉以及碳酸钠的使用质量比为(10~20):(20~40):1:(10~20)。
[0014]3）所述超声分散的时间为20~60min。
[0015]4）所述搅拌的速率为80~150rpm。
[0016]5）所述反应的时间为8~15h。
[0017]6）所述沉降的时间为6~12h。
[0018]7）所述洗涤所用的洗涤液为去离子水。
[0019]8）所述烘干的温度为80~100℃，烘干的时间为3~6h。
[0020]9）所述焙烧的温度为500~700℃，所述焙烧的时间为5~10h，所述焙烧在惰性气氛下进行。
[0021]在第二方面，本申请提供一种如上所述燃料电池膜电极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：（1）将碳载氧化铈、全氟磺酸树脂、水以及第一有机溶剂混合，经超声分散后得到第一自由基淬灭剂，并将所得第一自由基淬灭剂喷涂在阳极气体扩散层的一侧表面；（2）将催化剂、全氟磺酸树脂、水以及第二有机溶剂混合，经超声、高压均质后，得到阴极催化剂浆料以及阳极催化剂浆料；（3）将阳极催化剂浆料喷涂在涂覆有自由基淬灭剂的阳极气体扩散层的一侧表面，形成阳极催化层；将阴极催化剂浆料直接喷涂在质子交换膜一侧表面，形成阴极催化层；（4）将阳极催化层与质子交换膜的另一侧表面抵接，并将阴极气体扩散层与阴极催化层抵接，然后热压，形成所述燃料电池膜电极。
[0022]本申请的制备方法，先采用CCM的方式，将阴极催化层喷涂在质子交换膜一侧，然后将阳极催化层喷涂在阳极气体扩散层表面，然后将带有第一自由基淬灭剂和阳极催化层的阳极气体扩散层、带有阴极催化层的质子交换膜、以及阴极气体扩散层（可喷涂第二自由基淬灭剂）三者热压，避免了质子交换膜在催化层制备过程中胀缩变形，有利于薄膜膜电极的制备和生产。
[0023]在第二方面的一种实施方式中，在步骤（1）中，所述第一有机溶剂包括异丙醇、正丙醇、乙醇、乙二醇、叔丁醇或丙三醇中的一种或多种。
[0024]在第二方面的一种实施方式中，在步骤（1）中，第一自由基淬灭剂中，所述碳载氧
化铈、全氟磺酸树脂、水以及第一有机溶剂的质量比为（0.8~2）：1：（20~100）：（30~200）。
[0025]在第二方面的一种实施方式中，在步骤（1）中，所述超声的频率为30~50kHZ，时间为20~60min。
[0026]在第二方面的一种实施方式中，在步骤（1）中，在步骤（1）中包括第二自由基淬灭剂的制备以及将第二自由基淬灭剂喷涂在阴极气体扩散层一侧表面的操作，具体如下：将碳载氧化铈、全氟磺酸树脂、水以及第三有机溶剂混合，经超声分散后得到第二自由基淬灭剂，并将所得第二自由基淬灭剂喷涂在阴极气体扩散层的一侧表面。
[0027]在步骤（1）中，所述第三有机溶剂包括异丙醇、正丙醇、乙醇、乙二醇、叔丁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池膜电极，所述膜电极依次包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，其特征在于，所述阳极气体扩散层和阳极催化层之间或者在阳极催化层内添加第一自由基淬灭剂，所述第一自由基淬灭剂包括碳载氧化铈。2.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述第一自由基淬灭剂中碳载氧化铈的质量分数为1~70%，所述阳极扩散层上碳载氧化铈的载量为0.01~0.05mg/cm2。3.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述阴极催化层和阴极气体扩散层之间或阴极催化层内添加第二自由基淬灭剂，所述第二自由基淬灭剂中包含碳载氧化铈，且在所述第二自由基淬灭剂中碳载氧化铈的质量分数为1~70%，所述阴极扩散层上碳载氧化铈的载量为0.01~0.03mg/cm2。4.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述碳载氧化铈的制备方法如下：（1）将硝酸铈、有机溶剂以及碳粉混合，并超声分散，得到混合液；（2）在搅拌条件下，在所述混合液内滴入碳酸钠，然后继续搅拌进行反应，依次经沉降、抽滤、洗涤、烘干、研磨、焙烧后，得到所述碳载氧化铈。5.如权利要求4所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述碳载氧化铈的制备方法至少还包括如下一种条件：1）所述有机溶剂包括乙醇；2）所述硝酸铈、有机溶剂、碳粉以及碳酸钠的使用质量比为(10~20):(20~40):1:(10~20)；3）所述超声分散的时间为20~60min；4）所述搅拌的速率为80~150rpm；5）所述反应的时间为8~15h；6）所述沉降的时间为6~12h；7）所述洗涤所用的洗涤液为去离子水；8）所述烘干的温度为80~100℃，烘干的时间为3~6h；9）所述焙烧的温度为500~700℃，所述焙烧的时间为5~10h，所述焙烧在惰性气氛下进行。6.一种如权利要求1~5任一所述燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：（1）将碳载氧化铈、全氟磺酸树脂、水以及第一有机溶剂混合，经超声分散后得到第一自由基淬灭剂，并将所得第一自由基淬灭剂喷涂在阳极气体扩散层的一侧表面；（2）将催化剂、全氟磺酸树脂、水以及第二有机溶剂混合，经超声、高压均质后，得到阴极催化剂浆料以及阳极催化剂浆料；（3）将阳极催化剂浆料喷涂在涂覆有自由基淬灭剂的阳极气体扩散层的一侧表面，形成阳极催化层；将阴极催化剂浆料直接喷涂在质子交换膜一侧表面，形成阴极催化层；（4）将阳极催化层与质子交换膜的另一侧表面抵接，并将阴极气体扩散层与阴极催化层抵接，然后热压，形成所述燃料电池膜电极。7.如权利要求6所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括如下至少一项技术特征：
在步骤（1）中，所述第一有机溶剂包括异丙醇、正丙醇、乙醇、乙二醇、叔丁醇或丙三醇中的一种或多种；在步骤（1）中，第一自由基淬灭剂中，所述碳载氧化铈、全氟磺酸树脂、水以及第一有机溶剂的质量比为（0.8~2）：1：（20~100）：（30~200）；在步骤（1）中，所述超声的频率为30~50kHZ，时间为20~60min；在步骤（2）中，催化剂包括铂黑、碳载铂或碳载铂合金中的一种；在步骤（2）中，第二有机溶剂包括异丙醇、正丙醇、乙醇、乙二醇、叔丁醇或丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯向理，涂序国，宁星杰，刘艺培，侯庆琳，
申请(专利权)人：浙江高成绿能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：