本发明专利技术公开了一种用于质子交换膜燃料电池的自增湿膜电极及制备方法。膜电极的制备过程包括：1）对质子交换膜进行预处理；2）将碳载铂催化剂或铂钌催化剂、全氟磺酸树脂溶液、具有亲水性的有机高分子聚合物和无机氧化物在水或者低沸点溶剂中混合并超声形成催化剂浆料，采用光照直接涂膜技术将催化剂浆料喷涂在质子交换膜的一侧，制得阳极催化层；3）在该质子交换膜的另一侧喷涂不含亲水性的有机高分子聚合物和无机氧化物的浆料，得到阴极催化层；4）将双面均涂有催化剂的质子交换膜与气体扩散层压合，即制得该自增湿膜电极。由于阳极催化层既含有亲水性有机高分子聚合物又含有无机氧化物，这使得制备的自增湿膜电极在高电池温度和低湿度下表现出了优良的自增湿性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池
，特别涉及一种。
技术介绍
燃料电池是一种可将燃料的化学能直接转化为电能的装置。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有低温快速启动、能量转换效率高、能率密度大和零排放等优点，被认为是最有希望用于便携式电源和电动汽车的动力源。质子交换膜燃料电池的核心部件是膜电极，膜电极通常由质子交换膜、阳极催化层、和阴极催化层所组成，而质子交换膜和催化层中所含的全氟磺酸树脂的质子传导率强烈依赖于水含量。当他们处于干涸状态时，质子传导率几乎为零；只有当质子交换膜被完全润湿时，才表现出良好的质子传导性能。因此，为了保证质子交换膜燃料电池的正常工作，通常需要对反应气进行增湿来保证质子交换膜获得足够的水含量。一般采用外增湿和内增湿的方式对质子交换膜进行增湿。外增湿和内增湿的技术都需使用增湿辅助设备，这无疑增加了电池系统的成本、质量、体积及复杂性，同时也造成电池的质量比功率和体积比功率下降。基于此，出现了质子交换膜燃料电池的免增湿(自增湿)技术，自增湿也称为无源增湿，即无需外界水源和热源来增湿反应气体和保持质子交换膜的含水量的一种技术。实现质子交换膜燃料电池的免增湿(自增湿)可以简化系统的结构、减小系统的体积及重量、减少系统本身的能耗及提高燃料电池系统的能量输出效率、降低燃料电池系统的成本，有利于实现质子交换膜燃料电池的商业化。理论上来说，质子交换膜燃料电池在运行过程中，阴极生成的水是足够增湿质子交换膜的，然而，燃料电池实际运行时，假如不对燃料和氧化剂气体(空气或者氧气)进行增湿，燃料电池会很快出现质子交换膜的干涸，导致电池性能的急剧下降。造成这种状况的原因有:一是水合质子的电迁移的作用，阳极生成的质子以水合质子的形式从阳极向阴极传递水，而且随着电流密度的增大，水由阳极到阴极的迁移速率远远大于阴极生成的水向阳极扩散(通常称之为:反扩散)的速率，造成阳极及质子交换膜的失水；二是由于阴极实际的空气(氧气)流量远远大于理论量，大量的空气(氧气)流会带走大量的生成水。人们在探索制备免(自)增湿膜电极方面做了大量的工作，提出了许多制备自增湿膜电极的方法。在阳极催化层中添加保湿(亲水)物质为方法之一。遗憾的是，到目前为止报道的方法均不能达到理想的自增湿或免增湿的效果。中国专利ZL200510037575.1公开了 “一种自增湿膜电极及其制备方法”，该方法是将质子交换膜预处理，碳载钼催化剂、全氟磺酸树脂溶液、亲水性物质(Si02、TiO2、丁二酸、丙磺酸、甘油、氨基酸等)和低沸点溶剂混合，涂在质子交换膜的一侧，烘干制得亲水性氢电极；再将碳载钼催化剂、全氟磺酸树脂溶液、疏水性物质和低沸点溶剂混合，涂在质子交换膜的另一侧，烘干制得憎水性氧电极；将两片碳纸与质子交换膜压合成自增湿膜电极。在该专利中，由于亲水性颗粒只是简单的掺入，而不是固定在催化层中，因此在膜电极工作时容易流失或团聚，这就降低了燃料电池的长期运行性能。另外，简单掺入这些既不导质子又不导电子的氧化物颗粒，也会降低整个电极的导电性，增大催化层的电荷转移电阻，增大电池极化。中国专利申请文件ZL200910041374.7公开了 “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”，是以Si02、TiO2改性后的碳粉作为载体制备了自增湿催化剂，将该催化剂用于阴极制备了性能优良的自增湿膜电极。该方法无需构筑一层保水层，也不需要在催化层和质子交换膜中添加保水物质；但是该方法制备过程较为复杂，所制得的自增湿膜电极在50° C以下具有良好的性能，然而电池温度高于55° C时，电池的自增湿性能急剧下降。而一般质子交换膜燃料电池的运行温度均在60° C左右。因此，研制能够适用于60° C或者更高温度的自增湿膜电极具有十分重要的意义。尽管通过在阳极催化层中添加保湿无机物制备自增湿膜电极的工作已有报道，然而，目前的自增湿膜电极存在温度适应范围偏低等种种缺陷，均不能达到理想的高性能自增湿/免增湿效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有自增湿膜电极存在的技术不足，提供一种能够适应于60° C以上电池温度的、用于质子交换膜燃料电池的自增湿膜电极制备方法，本专利技术的创新之处在于:通过在阳极催化层中同时添加亲水性有机高分子聚合物和具有保湿功能的无机氧化物，使得膜电极具备比仅仅添加无机氧化物或者仅仅添加无机物的膜电极更好的保湿性能，从而导致膜电极具有更好的自增湿性能，和实现在更高电池温度下的优良的自增湿性能。进一步地，提供一种用于质子交换膜燃料电池的、能适用于更高电池温度的自增湿膜电极。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为: 提供一种用于质子交换膜燃料电池的自增湿膜电极制备方法，包括如下步骤: (1)质子交换膜依次在质量浓度为5Wt.%的双氧水溶液中和质量浓度为0.5mol.L—1的硫酸溶液中进行预处理，然后用蒸馏水洗涤干净并保存在蒸馏水中备用； (2)将亲水性有机高分子聚合物溶于溶剂中，配制成质量百分浓度为1%0-10%的有机高分子聚合物溶液；所述亲水性有机高分子聚合物为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、葡聚糖、壳聚糖或聚丙烯酰胺中的一种或一种以上； (3)将亲水性无机氧化物加入到异丙醇溶剂中，超声分散，配制成浓度为l_50g.L—1的无机氧化物悬浊液；所述亲水性无机氧化物为气相二氧化硅、钛白粉、介孔SiO2或分子筛； (4)将碳载钼催化剂、全氟磺酸树脂溶液、步骤(2)中所述有机高分子聚合物溶液、步骤(3)中所述无机氧化物悬浊液、水或者易挥发性溶剂按10:2-5:0.1-5:0.1-10 =200-2000的质量比混合后，经超声波震荡分散成催化剂浆料，再将该催化剂浆料喷涂在质子交换膜的一侧，钼的载量控制在0.05-0.5mg.cnT2之间，然后将喷涂好的质子交换膜进行热处理，即制得膜电极的阳极催化层；(5)将碳载钼催化剂、全氟磺酸树脂溶液、水或者易挥发性溶剂按10:2-5 =200-2000的质量比混合后，经超声波震荡分散成，将该催化剂浆料喷涂在经步骤(4)处理之后的质子交换膜的另一侧，钼的载量控制在0.1-lmg.cm—2之间，然后将喷涂好的质子交换膜进行热处理后，制得膜电极的阴极催化层； (6)将两张预先喷涂好的气体扩散层分别压合在经步骤(5)处理之后的质子交换膜的两侧，即制得膜电极。优选地，所述质子交换膜为美国DuPont公司生产的Nafion212、Nafion211膜或Nafionl 17 膜。优选地，步骤(2)中，所述溶剂为蒸馏水、无水乙醇或质量百分浓度为1%_10%的乙酸溶液。优选地，所述全氟磺酸树脂溶液为质量百分浓度为5%的全氟磺酸树脂溶液。优选地，步骤(4)中，所述碳载钼或钼钌催化剂为Pt含量为10%_60%的Pt/C催化剂或总金属含量为10%-60%的Pt/Ru原子比为1:1的PtRu/C催化剂。优选地，所述易挥发性溶剂为无水乙醇、丙酮或异丙醇。优选地，所述步骤(I)的具体过程为:将质子交换膜放于质量百分浓度为5%_15%的双氧水中，在60-100° C下加热0.5-2小时；经蒸馏水洗涤后，再放于0.5-lmol.Γ1的硫酸溶液中，在60-100° C下加热0.5-2小时，然后经蒸馏水洗涤后，即完成预处理。优选地，所本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于质子交换膜燃料电池的自增湿膜电极制备方法，其特征在于：其实现自增湿的方式，其制备包括如下步骤：（1）质子交换膜依次在质量浓度为5wt.%的双氧水溶液中和质量浓度为0.5mol.L?1的硫酸溶液中进行预处理，然后用蒸馏水洗涤干净并保存在蒸馏水中备用；?（2）将亲水性有机高分子聚合物溶于溶剂中，配制成质量百分浓度为1‰?10%的有机高分子聚合物溶液；所述亲水性有机高分子聚合物为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、葡聚糖、壳聚糖或聚丙烯酰胺中的一种或一种以上；（3）将亲水性无机氧化物加入到异丙醇溶剂中，超声分散，配制成浓度为1?50g.L?1的无机氧化物悬浊液；所述亲水性无机氧化物为气相二氧化硅、钛白粉、介孔SiO2或分子筛；（4）将碳载铂或铂钌催化剂、全氟磺酸树脂溶液、步骤（2）中所述有机高分子聚合物溶液、步骤（3）中所述无机氧化物悬浊液、水或者易挥发性溶剂按10：2?5：0.1?5：0.1?10：200?2000的质量比混合后，经超声波震荡分散成催化剂浆料，再将该催化剂浆料喷涂在质子交换膜的一侧，铂的载量控制在0.05?0.5mg.cm?2之间，然后将喷涂好的质子交换膜进行热处理，即制得膜电极的阳极催化层；（5）将碳载铂催化剂、全氟磺酸树脂溶液、水或者易挥发性溶剂按10：2?5：200?2000的质量比混合后，经超声波震荡分散，将该催化剂浆料喷涂在经步骤（4）处理之后的质子交换膜的另一侧，铂的载量控制在0.1?1mg.cm?2之间，然后将喷涂好的质子交换膜进行热处理后，制得膜电极的阴极催化层；（6）将两张预先喷涂好的气体扩散层分别压合在经步骤（5）处理之后的质子交换膜的两侧，即制得膜电极。...
【技术特征摘要】
1.一种用于质子交换膜燃料电池的自增湿膜电极制备方法，其特征在于:其实现自增湿的方式，其制备包括如下步骤: (1)质子交换膜依次在质量浓度为5wt.%的双氧水溶液中和质量浓度为0.5mol.L—1的硫酸溶液中进行预处理，然后用蒸馏水洗涤干净并保存在蒸馏水中备用； (2)将亲水性有机高分子聚合物溶于溶剂中，配制成质量百分浓度为1%。-10%的有机高分子聚合物溶液；所述亲水性有机高分子聚合物为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、葡聚糖、壳聚糖或聚丙烯酰胺中的一种或一种以上； (3)将亲水性无机氧化物加入到异丙醇溶剂中，超声分散，配制成浓度为l_50g.L—1的无机氧化物悬浊液；所述亲水性无机氧化物为气相二氧化硅、钛白粉、介孔SiO2或分子筛； (4)将碳载钼或钼钌催化剂、全氟磺酸树脂溶液、步骤(2)中所述有机高分子聚合物溶液、步骤(3)中所述无机氧化物悬浊液、水或者易挥发性溶剂按10:2-5:0.1-5:0.1-10:200-2000的质量比混合后，经超声波震荡分散成催化剂浆料，再将该催化剂浆料喷涂在质子交换膜的一侧，钼的载量控制在0.05-0.5mg.cm-2之间，然后将喷涂好的质子交换膜进行热处理，即制得膜电极的阳极催化层； (5)将碳载钼催化剂、全氟磺酸树脂溶液、水或者易挥发性溶剂按10:2-5 =200-2000的质量比混合后，经超声波震荡分散，将该催化剂浆料喷涂在经步骤(4)处理之后的质子交换膜的另一侧，钼的载量控制在0.1-lmg.cm_2之间，然后将喷涂好的质子交换膜进行热处理后，制得膜电极的阴极催化层； (6)将两张预先喷涂好的气体扩散层分别压合在经步骤(5)处理之后的质子交换膜的两侧，即制得膜电极。2.根据权利要求1所述的用于质子交换...
【专利技术属性】
技术研发人员：廖世军，梁华根，党岱，熊旺，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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