[發明專利]一種具有多孔吸附層的長壽命燃料電池膜電極及制備方法

無效

• 申請號: 201010100757.X
• 申請日: 2010-04-09
• 公開（公告）號: CN101853943A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: 木士春;徐峰
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/02;H01M4/88
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張安國

技術領域

本發明涉及一種燃料電池膜電極及其制備方法，特別涉及一種具有多孔吸附層的長壽命燃料電池膜電極及制備方法。該膜電極在保持電池性能不降低的條件下，具有較長的使用壽命。

背景技術

燃料電池具有較高能量轉化效率及零排放等優點，因此被認為是未來理想的能量轉換裝置及動力源。其中的質子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有低溫起動性好，而且還可應用氫作為能源，無疑更具有發展前景。近十幾年來，燃料電池技術已得到較大發展，國際上已相繼推出了燃料電池汽車、移動式燃料電池電源、家用燃料電池發電站等，但離燃料電池的產業還有較大的距離。這主要是因為燃料電池的生產成本較高，目前仍難以被市場所接受；其次，燃料電池的壽命還遠沒有過關。這與美國能源部(DOE)5000小時的目標相比，現在的燃料電池壽命只有2000～3000小時。

從目前研究的結果看，燃料電池壽命的主要影響因素是燃料電池工作中質子交換膜發生降解，以及催化劑發生不可恢復性失活。研究表明，引起質子交換膜降解的主要原因是相向滲透的氫、氧在載體表面發生兩電子反應，該反應的中間過程有雙氧水(H₂O₂)生成，使質子交換樹脂分子鏈的未端基團遭受雙氧水自由基的攻擊，導致膜發生分解。如果體系中混入了金屬離子(如二價鐵離子)，形成Fenton反應試劑，則將會加速膜的降解。金屬離子可來源于金屬雙極板、歧管、端板或合金催化劑的溶蝕。催化劑的不可恢復性失活與質子交換膜降解是同時發生的。研究表明，催化劑的失活主要是貴金屬催化劑發生了溶解、擴散和沉積或是遷移、團聚的結果。這將導致部分催化劑會向膜內遷移。如果在膜內遷移的催化劑的量進一步累積，則電池就會有發生短路或氣體的滲漏(crossover)的危險。

為此，人們開展了提高燃料電池壽命的研究。目前，已在抗降解質子交換膜的研發方面取得了一定進展。如杜邦公司已推出了具有一定抗化學降解能力的CS系列質子交換膜，近年來又開發了具有較高尺寸穩定性的膜。但質子交換膜的降解問題仍然是阻礙提高燃料電池壽命重要關鍵因素之一。

發明內容

本發明目的旨在提供一種具有多孔吸附層的長壽命燃料電池膜電極及制備方法。

實現上述目的的技術方案是：

一種燃料電池膜電極，其特征在于，在催化劑層與質子交換膜之間附加了多孔吸附層，所述的多孔吸附層由多孔硅質材料及質子交換樹脂構成，其中所述的多孔硅質材料是多孔硅酸巖礦物或材料，包括坡縷石-海泡石族礦物纖維、沸石分子篩、蒙脫石、硅藻土和硅膠。

其中，所述的坡縷石-海泡石族礦物纖維是坡縷石或海泡石。

所述的沸石分子篩是天然沸石或人工合成沸石分子篩，其中天然沸石分子篩是絲光沸石或斜發沸石，人工合成沸石分子篩是3A型分子篩、4A型分子篩、5A型分子篩、10X型分子篩、13X型分子篩、鈉Y型分子篩或鈣Y型分子篩。

本發明所述的燃料電池膜電極(membrane?electrode?assembly，MEA)根據催化劑層與其它組件的結合方式的不同劃分兩種，一種是將催化劑涂敷在氣體擴散層表面制備的氣體擴散層電極(gas?diffusion?layer?electrode，GDE)而獲得的膜電極，本發明稱之為GDE-MEA，另一種是將催化劑涂在質子交換膜兩側(catalyst?coated?membrane，CCM)獲得的膜電極，本發明稱之為CCM-MEA。

本發明所述的催化劑層與背景技術相同，主要由催化劑及質子交換樹脂組成。其中，催化劑又可分為負載型催化劑或無載體型催化劑，其活性成分主要是Pt或Pt合金，如Johnson?Matthey公司生產的Pt/C、PtRu/C或PtCo/Pt催化劑。其中，質子交換樹脂與背景技術相同，主要是全氟磺酸質子交換樹脂，如樹脂或Flemion聚合物。

本發明所述的質子交換膜與背景技術相同，主要是全氟磺酸質子交換膜，如膜，或部分氟化質子交換膜，如Ballard公司生產的BAM3G膜，以及非氟質子交換膜，如Toyota等公司研制的碳氫質子交換膜。