[發(fā)明專利]帶水?dāng)U散區(qū)的自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及其制備

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710072346.2
• 申請日: 2007-06-12
• 公開（公告）號: CN101071877A
• 公開（公告）日: 2007-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史鵬飛;王二東;杜春雨;尹鴿平;程新群
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 吳國清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的自呼吸式自增濕PEMFC，水的遷移方式主要有下列三種：一是由于質(zhì)子交換膜兩側(cè)水的濃度差或氣體壓力差引起的水由陰極向陽極擴(kuò)散；二是由電滲引起的水由陽極向陰極的遷移；三是陰極區(qū)因?yàn)樗徽舭l(fā)而排出電池體系。質(zhì)子交換膜燃料電池的高功率密度、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使其成為近些年來研究的熱點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池在陽極氫氣加濕及在相對高的溫度條件下工作時(shí)，性能會得到較大的提高，但這也同時(shí)使其結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜，成本也相應(yīng)的增加，從而限制了其在一定范圍的應(yīng)用。在加之陰極生成的水得不到及時(shí)的調(diào)度，易使陰極出現(xiàn)水淹的情形。因而開發(fā)具有結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良的質(zhì)子交換膜燃料電池成為PEMFC小型化研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池陰極生成的水得不到及時(shí)的調(diào)度，易使陰極出現(xiàn)水淹，由于陽極反應(yīng)氣沒有經(jīng)過預(yù)加濕，質(zhì)子向膜遷移的阻力增加的問題，提供一種帶水?dāng)U散區(qū)的自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極制備方法，解決上述問題的具體技術(shù)方案如下：

本發(fā)明由催化層、Nafion膜、水?dāng)U散區(qū)、支撐層和微多孔層組成，水?dāng)U散區(qū)設(shè)在催化層的外沿，水?dāng)U散區(qū)與催化層位于一個平面上，水?dāng)U散區(qū)與Nafion膜接觸，支撐層和微多孔層設(shè)在催化層的外側(cè)。

本發(fā)明帶水?dāng)U散區(qū)的自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的制備方法為：

步驟一、氣體擴(kuò)散層的制備：

氣體擴(kuò)散層分為支撐層與微多孔層，支撐層使用憎水處理過的碳紙，PTFE含量為20～40wt.％，為提高水由陰極向陽極的反擴(kuò)散能力，可適當(dāng)提高陰極支撐層的PTFE載量，在支撐層上均勻的噴涂一層PTFE含量為20～40wt.％的VulcanXC-72碳黑作為微多孔層，碳黑的載量均為2mg/cm²，將噴涂微多孔層后的碳紙?jiān)贏r氣保護(hù)環(huán)境下340℃燒結(jié)30～50分鐘，即制得氣體擴(kuò)散層；

步驟二、水?dāng)U散區(qū)和陰極催化層的制備：

將電極的中央準(zhǔn)備刷涂催化劑的區(qū)域用硬質(zhì)塑料覆蓋，在其剩余的區(qū)域噴涂小粒徑碳黑，形成水?dāng)U散區(qū)；水?dāng)U散區(qū)碳黑選用BP2000，用5ml～10ml乙醇或異丙醇水溶液(其中乙醇或異丙醇與水體積比為2：1)分散均勻后，加入0.5wt.％Nafion，攪拌均勻；其中碳黑與Nafion的質(zhì)量比為3∶1，碳黑載量為0.3mg/cm²。將噴完外沿親水碳黑的陰極極片放置好，用硬質(zhì)塑料覆蓋該親水處理區(qū)域，使需刷涂催化劑的電極的中央?yún)^(qū)域露出；陰極催化劑選用20wt.％Pt/C催化劑，Pt載量為0.3mg/cm²，催化劑漿料由Pt/C、PTFE和少量的Nafion組成，其質(zhì)量比為20∶5∶2；使用刷涂法將催化劑刷涂于電極中央的區(qū)域；

步驟三、水?dāng)U散區(qū)和陽極催化層的制備：

陽極催化層的制備過程與陰極相同，區(qū)別在于陽極催化劑漿料為20wt.％Pt/C催化劑，Pt載量為0.2mg/cm²，催化劑漿料由Pt/C催化劑和Nafion組成，其質(zhì)量比為3∶1，陽極催化層外沿水?dāng)U散區(qū)噴涂碳黑，親水碳黑漿料為VulcanXC-72碳黑和Nafion混合物，碳黑和Nafion質(zhì)量比為3∶1。

本發(fā)明在催化層的外沿設(shè)有水?dāng)U散區(qū)，實(shí)現(xiàn)陰極水向陽極的調(diào)度，使得質(zhì)子交換膜燃料電池水分布更加均勻，電池性能得到提高；電極采用長方形結(jié)構(gòu)，有利于陰極生成的水?dāng)U散到水?dāng)U散區(qū)，使其順利遷移到陽極；在不增加催化劑載量的情況下，對電極內(nèi)部形成的水進(jìn)行了有效的調(diào)度，避免過量的水聚集在陰極催化層上，形成水膜，使陰極被水淹的情形不再發(fā)生。另外，由于陽極氫氣得到有效的加濕，質(zhì)子向膜遷移的阻力減少，提高了燃料電池的性能。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有普通膜電極結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明電極的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是圖2A-A的剖面及本發(fā)明膜電極水遷移路線示意圖。圖中→表示電遷移引起的水的擴(kuò)散，表示由于濃度或壓力差引起的水的擴(kuò)散，表示通過水?dāng)U散區(qū)水的遷移，表示蒸發(fā)引起的水的損失，7是陽極，8是陰極。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖2、圖3描述本實(shí)施方式。本實(shí)施方式由催化層1、Nafion膜2、支撐層4、微多孔層5和水?dāng)U散區(qū)3組成，水?dāng)U散區(qū)3設(shè)在催化層1的外沿，水?dāng)U散區(qū)3與催化層1位于一個平面上，水?dāng)U散區(qū)3通過熱壓與Nafion膜2直接接觸，支撐層4和微多孔層5設(shè)在催化層1的外側(cè)。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式的氣體擴(kuò)散層的面積大于催化層1的面積。